Manual Introducao ao Processamento Digital de Imagens

Presidência da República\nFernando Henrique Cardoso\nMinistério do Planejamento, Orçamento e Gestão\nMartus Antônio Rodrigues Tavares\nINSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA - IBGE\nPresidente\nSérgio Besserman Vianna\nDiretor Executivo\nNuno Duarte da Costa Bittencourt\nÓRGÃOS TÉCNICOS SETORIAIS\nDiretoria de Pesquisas\nMaria Martha Malard Mayer\nDiretoria de Geociências\nGuido Gelli\nDiretoria de Informação\nPaulo Roberto Ribeiro da Cunha\nCentro de Documentação e Disseminação de Informações\nDavid Wu Tai\nEscola Nacional de Ciências Estatísticas\nKaizō Iwakami Beltrão\nUNIDADE RESPONSÁVEL\nDiretoria de Geociências\nDepartamento de Recursos Naturais e Estudos Ambientais\nCelso José Monteiro Filho\nPrimeira Divisão de Geociências do Nordeste\nRoberval Matos Rocha Ministério do Planejamento, Orçamento e Gestão\nInstituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE\nDiretoria de Geociências\nDepartamento de Recursos Naturais e Estudos Ambientais\nPrimeira Divisão de Geociências do Nordeste\nManuais técnicos em geociências - número 9\nIntrodução ao Processamento Digital de Imagens\nRio de Janeiro\n2001 Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE\nAv. Franklin Roosevelt, 166 - Centro - 20021-120 - Rio de Janeiro, RJ - Brasil\nISSN 0103-9598 Manuais técnicos em geociências. Divulga os procedimentos metodológicos utilizados nos estudos e pesquisas de geociências.\nISBN 85-240-0762-1\n© IBGE, 2001\nCapa\nUbiratã O. dos Santos - Gerência de Criação - DIVIC/CDDI\nIlustração\nParte da Carta Imagem SD 21 YC - LANDSAT - utilizada no PROJETO SIVAM\nIntrodução ao processamento digital de imagens / IBGE, Primeira Divisão de Geociências do Nordeste. - Rio de Janeiro : IBGE, 2001.\n54 p. - [Manuais técnicos em geociências, ISSN 0103-9598, n. 9]\nISBN 85-240-0762-1\n1. Processamento de Imagens - Técnicas digitais. I. IBGE. Primeira Divisão de Geociências do Nordeste. II. Sente.\nDivisão de Biblioteca e Acervos Especiais CDU 528.852:681.32 CARP\nImpresso no Brasil / Printed in Brazil Sumário\n\nApresentação ........................................................................................................... 9\nSiglas e abreviaturas .............................................................................................. 11\nCaracterísticas das imagens de sensoriamento remoto .................. 13\nO espectro eletromagnético ......................................................................... 14\nAs janelas atmosféricas ................................................................................... 15\nA imagem digital ................................................................................................. 16\nResolução dos imagens .................................................................................... 18\nResolução espacial ............................................................................................ 18\nResolução espectral .......................................................................................... 19\nResolução radiométrica .................................................................................... 19\nResolução temporal .......................................................................................... 20\nSistemas sensores ............................................................................................... 21\nClassificação dos sensores ............................................................................... 21\nFonte de energia ................................................................................................. 22\nRegião espectral .................................................................................................. 22\nSistemas de captação dos dados ..................................................................... 22\nPlataformas orbitais ............................................................................................ 24\nTipos de órbita .................................................................................................... 25\nEvolução dos sistemas sensores ...................................................................... 25\nDas fotografias aéreas aos foguetes ............................................................... 25\nSensores de baixa resolução espacial ............................................................. 26\nSensores de resolução espacial intermediária ...................................... 27\nProgramas de radar orbital ............................................................................ 30\nProgramas espaciais brasileiros ................................................................... 31 Sensores com alta resolução espacial .................................................. 32\nSensores de alta resolução espectral .................................................. 33\nComportamento espectral dos materiais ............................................. 35\nComportamento espectral da vegetação ......................................... 35\nComportamento espectral da água ....................................................... 36\nComportamento espectral dos solos .................................................... 37\nComportamento espectral das rochas ................................................. 38\nComportamento espectral de áreas construídas ............................. 39\nCritérios para seleção das imagens ......................................................... 41\nManipulação do contraste ...................................................................... 41\nHistogramas de imagens .......................................................................... 41\nContraste e brilho da imagem ................................................................ 42\nReales de contraste .................................................................................... 42\nLUT .................................................................................................................... 45\nReale linear .................................................................................................... 45\nReale de equalização .................................................................................. 46\nReale Gaussiano ....................................................................................... 46\nReale de raiz quadrada .............................................................................. 46\nReale negativo ............................................................................................... 46\nReale de infração ........................................................................................... 46\nReale logarítmico ......................................................................................... 46\nReale parcial (piecewise stretch) .......................................................... 47\nLimitarização (thresholding) ............................................................... 48\nFormação das cores .................................................................................... 49\nO modelo RGB ............................................................................................ 49\nImagem monocromática/falsa/pseudo ............................................... 50\nFatiamento (density slicing) .................................................................... 54\nTransformação IHS (Intensity, Hue, Saturation) .......................... 54\nOperações aritméticas com imagens ..................................................... 57\nAdição .............................................................................................................. 57\nSubtração ....................................................................................................... 57\nRazão espectral (Ratio) ............................................................................... 59\nMultiplicação .................................................................................................. 61\nFiltragem de imagens ................................................................................. 63\nFrequência espacial ..................................................................................... 63\nConvolução .................................................................................................... 64\nFiltros de passe-baixas .............................................................................. 65\nFiltro de média ............................................................................................... 65\nFiltro de média ponderada ...................................................................... 65\nFiltro de moda ............................................................................................... 65 Filtro de mediana .......................................................................................... 66\nFiltros de passa-altas (high-pass filter) .............................................. 66\nFiltros Laplacianos ....................................................................................... 67\nFiltros Laplacianos + imagem original ................................................. 67\nFiltros direcionais ......................................................................................... 68\nSubtração dos componentes de baixa frequência .......................... 68\nAnálise de principais componentes - APC ......................................... 69\nVariância e covariância de imagens ....................................................... 69\nCorrelação ...................................................................................................... 70\nGráfico de dispersão ..................................................................................... 70\nCorrelação de imagens ............................................................................... 71\nCausas da existência de correlação ...................................................... 71\nA transformação por principais componentes ...................................... 71\nAutovetores e autovalores ..................................................................... 72\nInterpretação de imagens PCs ................................................................ 74\nClassificação ................................................................................................. 75\nClassificação supervisionada ..................................................................... 76\nMétodo da mínima distância ..................................................................... 77\nMétodo do paralelopípedo .......................................................................... 77\nMétodo da máxima verossimilhança (MAXVER) ............................ 78\nClassificação não-supervisionada (exploratória) ............................ 79\nIsodata .............................................................................................................. 81\nOperações pós-classificação ....................................................................... 81\nAgregação de classes .................................................................................. 81\nDestaque de classe ....................................................................................... 81\nHomonização ................................................................................................. 81\nAvaliação da classificação ........................................................................... 81\nCorreções geométrica e radiométrica ................................................... 83\nCorreção radiométrica ................................................................................. 83\nRazão de canais .............................................................................................. 83\nEstudos multitemporais .............................................................................. 84\nCompensação pela dispersão atmosférica (haze compensation) ... 84\nCorreção geométrica ................................................................................... 85\nCorreção de erros sistemáticos (bulk or system correction) .......... 85\nCorreção de precisão .................................................................................... 86\nAcurácia da correção geométrica ............................................................ 89\nReferências bibliográficas .......................................................................... 91\nLista de Quadros\n\n1 - Representação dos formatos de gravação dos dados ................. 17\n2 - Escalas de trabalho indicados por algumas imagens ............... 18 3 - Tipos de sensores ................................................ 21\n4 - Comparação entre os dois sistemas de varreduras ... 24\n5 - Características do AVHRR ....................................... 26\n6 - Aplicações do sensor AVHRR ................................. 26\n7 - Cronograma dos satélites LANDSAT ........................ 27\n8 - Características orbitais do LANDSAT-5 e dos\nsensores MSS e TM .................................................. 27\n9 - Características do SPOT ......................................... 28\n10 - Especificações de satélite IRS-1C ......................... 29\n11 - Características espectrais do RESURS-01 .......... 30\n12 - CBERS - China-Brazil Earth Resources Satellites.. 31\n13 - Características dos SSRs da MECB .................... 32\n14 - Sistemas de alta resolução ..................................... 33\n15 - Regiões espectrais próprias ao estudo de\npropriedades dos solos ............................................ 38\n16 - Regiões do espectro indicadas para estudos\ndas rochas e dos minerais ........................................ 39\n17 - Algumas aplicações das bandas do LANDSAT/TM .. 39\n18 - Exemplo de matriz de correlação ......................... 40\n19 - Eigenvalues da imagem de Derbyshire ............. 74\n20 - Eigenvectors da imagem de Derbyshire ............ 74\n21 - Matriz de erro ou de confusão ............................ 82\n\nLista de Figuras\n1 - Representação esquemática da captação de\ndados por SR ......................................................... 14\n2 - Espectro eletromagnético .......................................... 15\n3 - Transmitância percentual da atmosfera terrestre .... 17\n4 - Formato da imagem digital ..................................... 17\n5 - Brilho do pixel ...................................................... 17\n6 - Representação esquemática dos dados de três bandas .. 17\n7 - Instantaneous field of view .................................... 18\n8 - Espectro óptico ..................................................... 19\n9 - Sistema fotográfico ................................................ 20\n10 - Sistemas de varreduras eletrônica e mecânica .... 24\n11 - Características da imagem do Thematic Mapper - TM .. 28\n12 - a) Os sensores do SPOT; e b) O recurso do\napontamento lateral .............................................. 28\n13 - Assinatura espectral (média) da folha verde ........ 36\n14 - Comportamento espectral da água ........................ 37\n15 - Refletância da água superficial e a 20 metros de\nprofundidade ........................................................... 37\n16 - Comparação entre as curvas de refletância da água,\nvegetação sadia, solo e areia ................................. 38\n17 - Comportamento espectral das\nfeições urbanas/suburbanas ................................ 39 18 - Resolução espectral dos sensores SPOT e\nLANDSAT/TM ...................................................... 40\n19 - Histograma de uma imagem ................................ 41\n20 - Contraste e brilho de imagens ........................... 42\n21 - Representação gráfica de uma FTC linear .......... 43\n22 - Realce linear ........................................................ 44\n23 - Realce MinMax .................................................. 45\n24 - Overflow ............................................................... 46\n25 - Realce de equalização .......................................... 46\n26 - Realce logarítmico ............................................... 47\n27 - Realce exponencial ............................................... 47\n28 - Realce parcial ....................................................... 48\n29 - Limitação ................................................................ 48\n30 - Cubo de cores ...................................................... 50\n31 - Formação da composição colorida (RGB) ........... 50\n32 - Formação das cores .............................................. 51\n33 - LUT para Display monocromático e pseudocor . 52\n34 - Representação gráfica do fatamento ................. 53\n35 - Imagem fatiada .................................................... 53\n36 - Modelo do hexaceno ........................................... 54\n37 - Transformação IHS ............................................... 54\n38 - Fusão de três bandas de imagem TM com SPOT ... 55\n39 - Histograma de uma imagem de saída de subtração .. 58\n40 - Linhas de mesma razão ......................................... 60\n41 - Perda de informação na razão de canais ........... 60\n42 - Curvas de frequência espacial ............................ 64\n43 - Convolução ............................................................ 65\n44 - Filtro de média ...................................................... 65\n45 - Efeitos do filtro passa-baixas .............................. 66\n46 - Filtro de média ponderada ................................... 66\n47 - Exemplo de aplicação de filtro de moda ............ 66\n48 - Exemplo de aplicação de filtro de mediana ........ 67\n49 - Exemplos de operadores de Laplace .................. 67\n50 - Efeitos do filtro de passa-altas .......................... 67\n51 - Filtros de Sobel ................................................... 68\n52 - Filtros de Prewitt ................................................ 68\n53 - Gráfico de dispersão de duas\nvariáveis altamente correlacionadas ........................ 70\n54 - Gráfico de dispersão de duas\nvariáveis com baixa correlação ................................. 70\n55 - Imagens correlacionadas ...................................... 70\n56 - Parâmetros do elipsóide de distribuição ............ 72\n57 - Determinação dos eixos das PCs ....................... 72\n58 - Rotação dos eixos das PCs .................................. 73\n59 - Imagem classificada .............................................. 73\n60 - Assinatura espectral .............................................. 76 62 - Modelo da classificação supervisionada ............... 77\n63 - Técnicas de classificação supervisionada ............... 78\n64 - Critérios para classificação pela técnica ML .......... 79\n65 - Isodata (iteração II) .................................................. 80\n66 - Isodata (iteração III) ............................................. 80\n67 - Isodata (iteração III) .............................................. 81\n68 - Homogeneização por filtro de moda ................... 81\n69 - Componentes do sinal recebido pelo sensor ....... 82\n70 - Gráfico de regressão ............................................... 85\n71 - Efeito da rotação da Terra ...................................... 85\n72 - Transformação da imagem bruta\npara a imagem corrigida ......................................... 87\n73 - Reamostragem (vizinhos mais próximos) ........... 88\n74 - Reamostragem (interpolação bilinear) ............. 88 Apresentação\n\nTradicionalmente, a extração de informações das imagens de sensoriamento remoto pelas equipes técnicas de geociências tem sido feita por métodos analógicos. Entretanto, a partir dos anos 90, constata-se uma utilização crescente do processamento digital. Esta mudança foi impulsionada pela vertiginosa evolução ocorrida na indústria da informática, marcada pelo aumento na capacidade de processamento e redução dos custos dos equipamentos, o que permite hoje o tratamento de imagens em computadores de mesa. Da mesma forma, um número cada vez maior de aplicativos dedicados ao processamento digital de imagens vem sendo disponibilizado no mercado.\n\nPor outro lado, verifica-se um crescimento acelerado na produção de dados geoespaciais destinados a atender as necessidades específicas das várias categorias de usuários. A manipulação e integração desta multiplicidade de dados, de características e fontes distintas, para transformá-los em informações relevantes à sociedade, seria extremamente difícil sem os recursos da informática, visto que o armazenamento, processamento e transmissão dos dados são feitos na forma digital. O processamento digital de imagens oferece uma gama de técnicas que propiciam a exploração de detalhes inacessíveis pelos métodos convencionais e permite realçar e destacar aspectos de interesse específico a determinados temas e objetivos.\n\nO processamento digital de imagens e os sistemas de informações geográficas constituem hoje ferramentas essenciais em várias áreas do conhecimento. Os profissionais de geociências precisam estar permanentemente atentos às transformações no modus operandi, sob pena de perder informações, rapidez e