Princípios Físicos do Sensoriamento Remoto Aquático

23 3 PRINCÍPIOS FÍSICOS DO SENSORIAMENTO REMOTO AQUÁTICO Cláudio C F Barbosa Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Brasil 31 Introdução 32 O que é Luz 321 Campo de luz 33 Grandezas radiométricas 34 Interação da luz com meio aquático 341 Processo de absorção 342 Processo de espalhamento 35 Propriedades ópticas inerentes 36 Propriedades ópticas aparentes 361 Reflectâncias 362 Coeficientes de atenuação difuso 363 Cossenos médios 37 Componentes opticamente ativos nos sistemas aquáticos 371 Água pura e suas propriedades ópticas inerentes 372 Matéria orgânica dissolvida e suas prop ópticas inerentes 373 Particulado total e suas propriedades ópticas inerentes 3731 Partículas não algais NAP 3732 Organismos clorofilados microscópicos e suas prop ópticas 38 A equação de transferência radiativa 39 Conclusão 24 27 29 30 35 35 36 38 41 41 42 43 44 44 45 47 48 49 51 52 24 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos 31 INTRODUÇÃO U m dos objetivos do sensoriamento remoto aplicado a ambientes aquáticos é determinar a concentração e mapear a variabilidade espacial de alguns parâmetros de qualidade de água como clorofila sólidos em suspensão e matéria orgânica dissolvida Esses parâmetros são úteis para a determinação das condições biofísicas e do estado trófico de sistemas aquáticos Devido às proprieda des de interação da água com a luz radiação eletromagnética o sensoriamento remoto em ambientes aquáticos denominado de sensoriamento da cor da água utiliza principalmente sensores passivos tendo a radiação solar como fonte de radiação e a região do espectro eletromagnético entre 400 e 900 nm como faixa mais adequada para as aplicações A cor da água natural é uma característica óptica resultante dos processos de interação da luz solar com a água e seus constituintes e que por isso contém informação espectral relativa à composição da coluna de água As variações de cor são determinadas pela concentração e composição das partículas e das substâncias dissolvidas que absorvem e espalham a radiação solar direta e difusa do céu que penetra na água A Figura 31 ilustra exemplos de cor da água registrada por sensores remotos orbitais Um dos desafios na interpretação das cores da água é identificar e extrair a radiação emergente da coluna dágua dado que o sinal registrado pelos sensores orbitais é fortemente afetado pela atmosfera e pela reflexão especular na superfície da água Além disso a modelagem dos constituintes a partir dessa informação radiométrica não é uma tarefa trivial espe cialmente em ambientes opticamente complexos como é o caso de águas interiores As técnicas para a extração de informação de ambientes aquáticos por sensoriamento remoto são diferentes daquelas aplicadas em alvos terrestres Por exemplo de forma genérica podese consi derar a radiação refletida por alvos terrestres como um evento bidimensional de espalhamento simples enquanto que para alvos aquáticos onde a radiação penetra e se propaga na coluna dágua o evento Figura 31 Exemplos de imagens de cor da água registradas sensores remotos orbitais a bordo de satélites 25 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático é inerentemente tridimensional pois envolve espalhamento múltiplo de diferentes ordens em todas as direções dentro do corpo dágua A Figura 32 ilustra de forma sucinta a trajetória percorrida pela luz solar quando esta se pro paga e atinge os alvos aquáticos antes de retornar na direção do sensor orbital Conforme ilustrado na Figura 32 o feixe de luz se propaga pela atmosfera e atinge a superfície da água onde uma parte dele é refletida pela superfície e a outra parte penetra na água Essa fração da luz que penetra na água após interagir com a coluna dágua retorna à superfície e eventualmente propagase na direção do sensor orbital Ao longo dessa trajetória a luz é submetida a processos de atenuação devido à interação dos fótons com a atmosfera com a superfície da água com a coluna dágua e novamente com a atmosfera antes de atingir o sensor Portanto a radiação solar está sob forte influência de fatores externos antes de ser registrada por algum sensor Os processos de atenuação na atmosfera antes e após interagirem com o corpo dágua são processos perturbadores pois além de não conterem informações sobre as massas dágua interferem nas informações oriundas da coluna dágua Os métodos de remoção ou redução desses efeitos per turbadores estão descritos na seção 4 do Capítulo 6 que trata sobre correção atmosférica de imagens Os processos de interaçãoatenuação que ocorrem na superfície da água Figura 32 ou seja reflexão especular da luz solar direta p3 sunglint ou da luz difusa do céu p2skyglint também não resultam em informação sobre a composição da água O tratamento desses efeitos é discutido na seção sobre remoção da reflexão especular na superfície da água do Capítulo 5 Já a radiação emergente do corpo dágua resultante da interação da luz com o meio aquático transporta as informações sobre a compo sição das massas de água Figura 32 É essa radiação que permite a partir de técnicas de sensoria mento remoto fazer a conexão entre os constituintes da água e o sinal registrado por um sensor remoto Matéria orgânica dissolvida sunglint skyglint radiância da coluna dágua Espalhamento atmosférico Superfície da água Fitoplâncton Sedimento p1 p2 p3 p4 Sensor orbital p5 p6 p7 Figura 32 Trajetória da luz entre fonte sol alvo corpo dágua e sensor orbital 1 processo de espalha mento atmosférico 2 processo de reflexão especular da luz difusa do céu 3processo de reflexão especular da luz solar direta 4 radiação emergente da coluna dágua 5 processo de espalhamento e absorção da luz por fitoplâncton 6 processo de espalhamento da luz por sedimentos 7 processo de absorção da luz por matéria orgânica dissolvida 27 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático Este capítulo descreve os principais conceitos da óptica hidrológica aplicados no estudo de am bientes aquáticos por sensoriamento remoto óptico Na seção 32 fazse uma revisão conceitual do que é a luz e de suas propriedades quando tratada como pacotes de energia e como ondas eletromagnéticas Esses conceitos são fundamentais para entender os processos de interação da luz com o meio aquático Na seção 33 revisase o conceito de campo de luz e na seção 34 descrevese as principais grandezas radiométricas utilizadas para medir e descrever quantitativamente o campo de luz É a partir de me didas das alterações que as massas dágua causam no campo de luz que técnicas de sensoriamento remoto extraem informações sobre a composição e a concentração dos constituintes nos corpos dágua A seção 35 trata da descrição dos processos de interação que ocorrem quando a luz propaga no meio aquático É a partir da definição de atributos que quantificam esses processos que se pode descrever e caracterizar quantitativamente as propriedades óticas inerentes do meio aquático descritas na seção 36 A conexão das propriedades ópticas inerentes de águas naturais com o campo de luz propagado nessas águas é feita a partir de um conjunto de propriedades ópticas aparentes apresentadas na seção 37 Essas propriedades quantificam e descrevem as mudanças causadas no campo de luz devido à sua interação com o meio aquático e permitem estabelecer a conexão entre essas mudanças e os constituin tes biológicos químicos e geológicos da água natural 32 O QUE É LUZ A interpretação dos dados adquiridos por sensoriamento remoto no estudo e monitoramento de ambientes aquáticos é fundamentada na compreensão da interação da radiação eletro magnética REM com os corpos dágua Essa fundamentação se baseia na descrição detalhada da REM e dos processos que ocorrem durante a sua propagação no meio aquático A REM é resultado da emis são de energia eletromagnética EE por qualquer corpo que esteja com a temperatura acima de zero absoluto 0 Kelvin No contexto do sensoriamento remoto de ambientes aquáticos a fundamentação baseiase nos conceitos da óptica hidrológica que é o ramo da óptica que trata do comportamento da luz no meio aquático O termo luz referese a EE na região do espectro eletromagnético entre 380 e 700 nanômetros 109 metros Wandel 1995 Essa região espectral é comumente referenciada como luz por ser a re gião onde o olho humano é sensível Para o entendimento do que é a luz e de suas propriedades a física moderna recorre a duas perspectivas uma quântica e outra ondulatória Na perspectiva quântica a luz é concebida como unidades indivisíveis de energia pacote de energia denominados de quanta ou fótons enquanto na perspectiva ondulatória é concebida como ondas eletromagnéticas resultantes da oscilação de partículas polarizadas que ao se propagarem geram campos elétrico e magnético Figura 34 Nas duas concepções a velocidade de propagação da luz c no vácuo é de 3 x 108 m s1 Na perspectiva ondulatória a luz é caracterizada pela distância entre dois pontos de mesma intensidade do campo elétrico ou magnético durante sua propagação Essa distância denominada de comprimento de onda da luz varia em função da frequência de oscilação dos campos elétrico e magné tico Já sob a perspectiva de pacotes de energia cada fóton é caracterizado como tendo uma quantidade específica de energia ξ que tem associado a ele uma frequência ν que o confere propriedades ondula tórias conforme a equação abaixo ξ hv hc λ 31 Onde h é a constante de Plank cujo valor é 6625 1034 joules segundo J s v é a frequência relacionada com o comprimento de onda λ dado pela relação v cλ em que c é a velocidade da luz no meio onde 28 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos a luz está se propagando Desde que c é constante em um determinado meio quanto maior o compri mento de onda menor a frequência e consequentemente menor a energia do fóton que está oscilando naquela frequência O espectro de radiação eletromagnético é comumente representado a partir das radiações gama de alta energia altíssimas frequências até radiações de ondas de rádio que são de baixa energia No contexto do sensoriamento remoto da água trabalhase com REM na região do visível 400 700 nm e infravermelho próximo até 900 nm A radiação solar é a principal fonte natural de energia eletromagnética utilizada pelo sensoria mento remoto óptico A Figura 35 mostra o espectro de distribuição da energia emitida pelo sol que atinge o topo da atmosfera cinza escuro e ao nível do mar em cinza claro Como se pode observar a maior intensidade de EE que atinge a superfície terrestre encontrase na região entre 400 e 700 na nômetros 1 x 109 metros Coincidentemente o processo químico mais importante que acontece na superfície da terra a fotossíntese utiliza a radiação solar dessa faixa espectral Figura 34 Representação da luz quando conceitualizada com campos elétrico e magnético λ comprimento de onda Campo elétrico Campo magnético Direção de propagação Figura 35 Espectro da radiação solar no topo da atmosfera cinza escuro e ao nível do mar cinza claro A absorção específica dos principais gases é também ilustrada na figura 0 500 1000 1500 2000 2500 025 045 065 085 105 125 145 165 185 205 225 245 265 285 Irradiância Espectral w m²µm Comprimento de onda µm Irradiância espectral solar no topo da atmosfera Irradiância espectral solar nível do mar O3 O3 H2O O2 H2O H2O H2O H2O CO2 H2O CO2 H2O CO2 29 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático 321 Campo de luz O termo campo de luz referese a um conjunto de fótons ou radiação eletromagnética propa gando dentro de um certo meio No contexto deste capítulo o meio será o aquático Essa propagação pode ser isotrópica quando se propaga igualmente em todas as direções ou anisotrópica quando ocorre alguma direção preferencial de propagação Ao se propagar o campo é submetido a alterações devido à sua interação com a coluna dágua Para que se possa fazer uma conexão entre as mudanças que ocorrem no campo de luz e os constituintes presente no corpo dágua é necessário quantificar essas mudanças por meio de medidas de alguns atributos do campo de luz As definições desses atributos no contexto da óptica hidrológica estão descritas em Mobley 1994 e Kirk 2011 Uma revisão sucinta desses atributos é apresentada na próxima seção deste capítulo O arcabouço fí sico e matemático que possibilita estudarsimular essas alterações em um determinado meio físico e consequentemente estudar a interação do campo luz com o meio é a equação de transferência radiativa ETR A ETR necessita como dado de entrada uma descrição da distribuição espacial do campo de luz em todas as direções descrição da estrutura angular e espacial do campo de luz Mobley 1994 denomina essa junção da radiação com uma estrutura espacial geometria euclidiana do campo de luz de radiometria geométrica A radiometria geométrica aplicada ao estudo do campo de luz tanto à coluna dágua quanto à interface arágua ou atmosfera utiliza normalmente o sistema de coordenadas polar para definir as di reções de propagação da luz Ou seja as direções são expressas em termos dos ângulos zenital e azimu tal em que o ângulo zenital θ Figura 36 é o ângulo entre o feixe de luz e uma linha vertical a um plano horizontal passando por ponto de referência No exemplo da Figura 36 esse plano é representado pela superfície da água e a linha vertical é o eixo y O ângulo azimutal é o ângulo entre um plano vertical passando pelo feixe de luz incidente plano azimutal na Figura 36 e um plano na vertical passando pela fonte de luz No exemplo da Figura 36 esses dois planos verticais estão representados pelo plano azimutal e plano direção do sol θ ϕ θ𝑛𝑛 𝑦 ϕ 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑛𝑜 direção 𝑠𝑜𝑙 θ 𝑑𝑑𝑒𝑛𝑛𝑖𝑖𝑡𝑡𝑒 ϕ 𝑎𝑑𝑑𝑖𝑖𝑚𝑢𝑡𝑡𝑒 θn 𝑛𝑛𝑎𝑑𝑑𝑖𝑖𝑟 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑛𝑜 𝑥𝑥𝑑𝑑𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓í𝑐𝑐𝑖𝑖𝑒 𝑎𝑟 á𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑒𝑖𝑖𝑥𝑥𝑒 𝑑𝑑𝑒 𝑙𝑢𝑑𝑑 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑛𝑜 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑖𝑐𝑐𝑖𝑖𝑒 𝑑𝑑𝑎 á𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑒𝑖𝑖𝑥𝑥𝑒 𝑑𝑑𝑒 𝑙𝑢𝑑𝑑 𝑑𝑑 𝑥𝑥 Figura 36 Ângulos para definição de direções dentro de um campo de luz O plano vertical xy é um plano na direção do sol e o plano horizontal representa a superfície da água A figura mostra também dois feixes de luz um descendente e outro ascendente ambos num mesmo plano vertical com ângulo azimutal ϕ em relação à posição do sol O feixe descendente tem ângulo zênite θ e o ascendente tem ângulo nadir θn que é equivalente ao ângulo zênite 180 θn Outra grandeza radiométrica importante para caracterizar um campo de luz é a irradiância planar Eλ O conceito de irradiância surge da necessidade de se medir o fluxo interceptado pela seção de uma superfície Figura 38 como a seção de um detector de radiação Nesse contexto irradiância é definida como a densidade ou taxa do fluxo radiante interceptado por unidade de área dA Equação 34 A irradiância tem unidade de Watts por metro quadrado Wm2 Edλ dΦλdA W m2 34 A radiância L é um atributo do campo de luz fundamental na formulação da óptica hidrológica pois possibilita quantificar e descrever a propagação da luz no espaço tridimensional Existem dois conceitos importantes para entender a radiância ângulo sólido e intensidade radiante O setor de uma circunferência delimitada por dois raios Figura 39a define um ângulo plano θ como a razão do comprimento do arco l pelo raio r O ângulo sólido é uma extensão do ângulo plano O setor de uma esfera delimitado por um conjunto de direções que determinam uma área A na superfície da esfera Figura 39b define um ângulo sólido Ω como a razão da área A pelo raio r ao quadrado cuja unidade é esferorradiano Já a intensidade radiante I é uma medida do fluxo radiante por unidade de ângulo sólido em uma certa direção Bukata et al 1995 Imagine uma fonte de radiação pontual localizada no centro de uma esfera de raio r emitindo radialmente em todas as direções Figura 310a Considere também Figura 38 Fluxo radiante de um campo de luz incidindo sobre uma superfície de referência Figura 39 Geometria associada a definição de ângulo plano θ e de ângulo sólido Ω Adaptado de Mobley 1994 3 orbital aerotransportado ou de campo Então para entender essa conexão e extrair informações sobre os sistemas aquáticos é necessário entender e quantificar os processos de interação da luz na coluna dágua Os conceitos fundamentais para o estudo quantitativo das interações da luz com corpos dágua são estabelecidos pela óptica hidrológica ramo da física que trata dos processos de propagação da luz na água utilizando como arcabouço físico e matemático a teoria de transferência radiativa TTR A radiometria é a ciência de medição da radiação eletromagnética Ela é a base para estudos de transferência radiativa em águas naturais Mobley 1994 A Figura 33 apresenta de forma sintética os relacionamentos entre os principais conceitos da óptica hidrológica Note que a teoria de transferência radiativa representada pela equação de transferência radiativa é a estrutura matemática que liga as propriedades ópticas inerentes e as condições ambientais de um sistema aquático com as grandezas radiométricas do campo de luz e as propriedades ópticas aparentes do corpo dágua Figura 33 Relacionamento entre os principais conceitos e grandezas usualmente utilizadas na óptica hidrológica Fonte adaptado de Mobley 1994 7 Figura 37 Campo de luz formado por fótons de diferentes comprimentos de onda λi Cada cor representa fótons de diferente quantidade de energia ξλi Setas azuis representam fótons da região espectral do azul com maior energia Setas vermelhas representam fótons da região espectral do vermelho com menor energia O círculo representa o referencial onde está sendo feita a medida Esse círculo pode ser a superfície do detector de medida de energia radiante 33 GRANDEZAS RADIOMÉTRICAS A radiometria define uma série de variáveis ou grandezas radiométricas para um campo de radiação Essas grandezas ou atributos são medidos e utilizados para uma descrição quantitativa e precisa da transferência radiativa em águas naturais As principais grandezas radiométricas de interesse da óptica hidrológica são a energia radiante o fluxo radiante a irradiância e a radiância A energia radiante Q em Joule J é a quantidade de energia transportada por um campo de radiação Zibordi 2007 Dado que cada fóton é um pacote com uma certa quantidade de energia a energia total que está se propagando Q composta por fótons de diferentes comprimentos de onda é a soma da energia de todos os fótons que passam por um certo referencial em um certo período de tempo Δt Figura 37 e Equação 32 Q i1 até n Ni ξλi 32 Em que Ni é o número de fótons no comprimento de onda λi ξλi é a energia do fóton de comprimento de onda conforme descrito na Equação 31 Vale ressaltar que Ni é o total de fótons que passa pelo referencial em um certo período de tempo A grandeza fluxo radiante ou potência radiante Φ λ em Js1 ou Watts W é taxa de fluxo de energia radiante que passa por um ponto ou seção transversal de referência por unidade de tempo t Φ λ ΔQλΔt dQλdt 33 Em que ΔQ ou dQ é fração de energia radiante que passa pelo ponto de referência e Δt ou dt é a unidade de tempo em segundo Na Figura 37 Φλ é a quantidade de energia radiante que passa pela superfície de referência Sr por segundo 32 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos um cone que subtende um ângulo sólido Ω e com seu vértice na fonte de radiação Figura 310a A partir dessa configuração definese intensidade radiante Iθ ϕ λ na direção θ ϕ como o fluxo ou a potência radiante por unidade de ângulo sólido Ω Iθϕλ dΦλ dΩ 35 A intensidade radiante pode também ser usada para descrever a radiação em um ponto no espaço ou incidente em um ponto de um alvo Figura 310b O conceito de intensidade radiante está associado à medida do fluxo radiante por unidade de ângulo sólido proveniente de uma fonte pontual ou incidente num ponto de um alvo O conceito de radiância surge da necessidade de medir o fluxo proveniente de ou incidente sobre um alvo com uma certa área A radiância Lθ ϕ λ de um alvo na direção θ ϕ é definida como o fluxo radiante Φλ por unidade de ângulo sólido Ω por unidade de área A perpendicular à direção do ao fluxo equação 36 Ou seja a radiância é a intensidade radiante por unidade de área perpendicular ao fluxo incidente ou emitido Lθϕ Φλ Ω Acos θ 36 A partir da equação 36 a estrutura direcional do campo de luz pode ser expressa em termos da variação da radiância L usando os ângulos zenital θ e azimutal ϕ e tem unidade de Watts por metros quadrados por esferorradiano W m2 sr1 A importância da radiância como grandeza radiométri ca fundamental é porque todas as demais grandezas podem ser derivadas a partir dela Além disso é a grandeza medida pela maioria dos sensores orbitais A definição de outras grandezas radiométricas listada na Figura 33 pode ser encontrada em Mobley 1994 Kirk 2011 e Novo 2008 Existem equipamentos comerciais para medidas de radi ância e irradiâncias in situ No Capítulo 4 esses equipamentos são apresentados com uma descrição da configuração utilizada para as medidas simultâneas de diferentes tipos de grandezas Iθϕλ Ω Iθϕλ φ θ Ω φ r θ r fonte pontual b a Figura 310 Esquema ilustrativo da intensidade radiante I no ângulo sólido Ω na direção do ângulo zeni tal θ e azimutal ϕ a radiação emergindo de uma fonte pontual b radiação em um ponto do espaço ou incidindo num ponto de um alvo 33 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático Conforme mencionado anteriormente as inferências por sensoriamento remoto óptico sobre constituintes presentes na água são feitas a partir das mudanças que as massas dágua causam no campo de luz solar que ao incidir e penetrar na superfície da água propaga na coluna dágua e eventualmente uma fração retorna e emerge da superfície Figura 32p4 É essa fração da radiação incidente alterada pela coluna dágua que quando registrada por sensores remotos permite inferir sobre a composição e as concentrações dos constituintes da água Para parametrizar calibrar e validar tanto algoritmos de estimativas dos constituintes da água como algoritmos de correção atmosférica das imagens medidas específicas de radiância e irradiância são feitas in situ antes e após a luz solar interagir com a coluna dáguas Vale ressaltar que algumas medidas precisam ser feitas concomitantes com a passagem do satélite As principais medidas in situ recomendadas por protocolos de estudo da cor da água são i Irradiância incidente na superfície da água Esλ Tratase da irradiância planar formada pela radiação solar direta e difusa do céu Esλ carrega a informação da composição espectral e da intensidade da irradiância incidente no instante das demais medidas radiométricas Esλ é utilizada na determinação da reflectância de sensoriamento remoto Rrsλ e do coeficiente de atenuação difuso Kdλ na coluna dágua Esses dois parâmetros estão descritos na seção 7 deste capítulo A medida de Esλ Figura 312 é feita por um coletor cosseno descrito no Capítulo 4 posicionado acima da água ii Radiância ascendente da superfície da água LTθ ϕ λ Tratase da radiância total medi da por um sensor espectral de radiância na posição θ ϕ acima da superfície da água Figura 312 LTθ ϕ λ é formado pela radiância emergente da coluna dágua Lwθ ϕ λ mais a radiância especular refletida pela superfície da água LRSθ ϕ λ radiação que atingiu a superfície mas não penetrou na água A variável radiométrica de interesse na ótica hidrológica é Lwθϕλ pois é ela que carrega a informação das mudanças causadas no campo de luz pela coluna dágua Entretanto não é possível medila diretamente Sua obtenção é feita removendo LRSθϕλ da medida de LTθϕλ a partir de métodos empíricos e analíticos Mobley 2015 Lee et al 2010 Mobley 1999 Lwθϕλ é utilizada na determinação da Rrsλ iii Radiância do céu Lskyθ ϕ λ Tratase da radiação solar que após ser espalhada pelos constituintes atmosféricos propagase em direção à superfície da água Parte dessa radiação penetra na água e uma parte da que é refletida pela superfície vai na direção do sensor que mede LTθ ϕ λ contribuindo assim para a fração LRSθ ϕ λ de LTθ ϕ λ Conforme ilustrado na Figura 312 o sensor Figura 311 Esquema da definição conceitual da grandeza radiométrica radiância Ω Área A do alvo emitindo Área projetada A cos θ θ φ 34 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos que mede Lskyθ ϕ λ fica apontado para o céu no mesmo plano azimutal do sensor que mede LTθ ϕ λ mas com 90 graus de diferença no ângulo zenital em relação ao sensor de medida de LTθ ϕ λ Maiores detalhes sobre a posição dos sensores estão descritos no Capítulo 4 As medidas de Lskyθ ϕ λ são utilizadas no processamento para remoção da radiação especular na superfície da água sunglint e skyglint iv Irradiância descendente na coluna dágua Edλ Tratase da medida irradiância planar do campo de luz que penetrou na superfície da água Medidas de Edλ fornecem informação sobre a composição espectral e intensidade da radiação ao longo da coluna dágua Edλ também é utilizada para a determinação do coeficiente de atenuação difusa da coluna dágua Kdλ que está descrito na se ção 7 deste capítulo Medidas de Edλ são feitas com um coletor cosseno posicionado perpendicular à superfície da água Figura 312 Este sensor é baixado lentamente na coluna dágua enquanto medidas são realizadas v Irradiância ascendente na coluna dágua Euλ Como resultado do espalhamento na co luna dágua em qualquer profundidade que tenha um fluxo de luz descendente existirá também um fluxo ascendente A irradiância Euλ é a medida da irradiância planar deste fluxo de luz ascendente Medidas de Euλ fornecem informação sobre a composição espectral e intensidade da radiação ascen dente na coluna dágua Euλ é utilizada junto com Edλ para a determinar a reflectância de irradiância Rzλ definida na seção 7 deste capítulo A Rzλ é uma variável útil pois existem relações empíricas e teóricas entre fitoplâncton sólidos suspensos propriedades ópticas inerentes e a Rzλ Bukata et al 1995 vi Radiância ascendente na coluna dágua Luλ Tratase da medida radiância ascendente aproximadamente vertical na coluna dágua Como Euλ a medida de Luλ pode ser feita ao longo da coluna dágua Entretanto os valores mais usados são os medidos logo abaixo da superfície denomina dos radiância de subsuperfície Luλ 0 Medidas de Luλ 0 são usadas na determinação da reflectân cia de sensoriamento remoto de subsuperfície rrsλ 0 que é usada em modelos bioópticos analíticos e também para extrapolar a rrsλ 0 para a reflectância de sensoriamento remoto Rrsλ Figura 312 Configuração esquemática de sensores para medidas in situ de grandezas radiométricas reco mendadas por protocolos de estudo da cor da água T 35 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático A Figura 313 sintetiza a hierarquia dos conceitos de grandezas radiométricas de interesse da óptica hidrológica Para distinguir entre fótons que incidem ou deixam uma determinada superfície utilizase o sinal negativo para se referir aos fótons incidindo na superfície e o sinal positivo para os fótons deixando a superfície excitância 34 INTERAÇÃO DA LUZ COM MEIO AQUÁTICO A interação da luz com a coluna dágua é governada por dois processos absorção e espalha mento Quando um fóton é absorvido sua energia é transferida para uma molécula de água ou de alguma das substâncias presente na água e o fóton desaparece Quando um fóton é espalhado ao interagir com algum componente do meio sua direção original de propagação é alterada entretanto ele continua a existir É importante entender os processos de absorção e de espalhamento para interpre tar o resultado da interação da luz com o corpo dágua e consequentemente extrair informações sobre o sistema aquático 341 Processo de absorção Q uando os fótons estão se propagando num determinado meio existe sempre uma probabili dade de serem absorvidos por alguma molécula Quando isso ocorre há o aumento de ener gia na molécula pela absorção do fóton Para entender o que acontece com essa molécula é necessário recorrer à estrutura geral de distribuição de energia em moléculas Segundo essa estrutura a energia total contida em uma molécula é distribuída em três níveis ou frações de energia Figura 314a Uma fração maior corresponde a um nível eletrônico ou camada de energia da molécula uma fração inter Energia Radiante Q Potência Radiante Φ Potência por unidade de área Potência por unidade de ângulo sólido Potência por unidade de área unidade de ângulo sólido irradiância E incidindo na superfície emitância M deixando a superfície intensidade I incidindo na superfície intensidade I deixando a superfície radiância L incidindo na superfície radiância L deixando a superfície W m2 W sr2 W m2 sr2 Figura 313 Hierarquia dos conceitos radiométricos Adaptado de Mobley1994 36 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos mediária em quantidade de energia corresponde a um nível vibracional e uma fração pequena corres ponde a um nível rotacional de energia da molécula O processo de absorção faz com que um elétron da molécula mude do seu nível atual para um nível correspondente ao acréscimo de energia do fóton absorvido Se uma molécula absorve um fóton de comprimento de onda maior do que 20 µmλ 20 µm energia correspondente à região de microondas então a molécula muda de um nível de energia rotacional para outro Figura 314b Caso o fóton seja da região do infravermelho λ 20 µm então a molécula é submetida a uma transição de energia de um nível vibracional para outro Já a absorção de um fóton de luz visível faz com que haja uma transição de um elétron do estado eletrônico fundamen tal da molécula para um estado eletrônico excitado Se for um fóton de luz azul que tem mais energia que um fóton de luz vermelha então o elétron se desloca para um nível eletrônico de maior energia do que se fosse um fóton de luz vermelha Embora a descrição teórica seja importante para entendermos o fenômeno os usuários interessados nas aplicações muitas vezes negligenciam tais conceitos Os pro cessos de absorção da luz no meio aquático alteram a composição e a intensidade do campo de luz e podem ser identificados e quantificados a partir de medidas das grandezas radiométricas 342 Processo de espalhamento E spalhamento é o processo em que os fótons têm sua direção original de propagação alterada devido à interação com o meio onde a luz está se propagando No nível mais fundamental o microscópico todo espalhamento tem origem nas interações entre fótons e moléculas ou átomos No entanto na descrição das propriedades ópticas de águas naturais é mais adequado tratar o espalha mento como sendo causado por dois processos distintos o espalhamento devido a flutuações aleatórias de densidade e o espalhamento causado por partículas em suspensão na água O espalhamento por flutuações de densidade ocorre devido a movimentos moleculares alea tórios contínuos que dão origem a flutuações no número de moléculas em um dado volume de água V Essas flutuações de densidade de moléculas que ocorrem em escala microscópica V λ levam a flutuações no índice de refração ao longo da trajetória percorrida pela luz no meio aquático A Estado fundamental Níveis vibracionais Nível I Eletrônico Nível II Eletrônico Níveis rotacionais Energia Absorção de fóton emissão de fóton λ1 λ2 infravermelho Micro ondas ultravioleta visível Transição de elétron Vibração molecular Rotação molecular Comprimento de onda a b ξ hcλ1 ξ hcλ2 Figura 314 Diagrama ilustrativo do processo de absorção a Níveis de energia em moléculas estado fun damental níveis eletrônicos I e II níveis vibracionais e níveis rotacionais b Dependendo da energia do fóton absorvido pela molécula Equação 31 um elétron moverá entre estes níveis podendo sofrer rotação ou vibração molecular ou uma transição para um dos níveis eletrônicos Fonte a adaptado de Kirk 2011 b adaptado de Roesler 2015 37 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático interação da luz com essas heterogeneidades no índice de refração causa pequenas mudanças de dire ção dos fótons Como as dimensões dessas regiões heterogêneas são muito menores do que o compri mento de onda de propagação dos fótons a distribuição angular do espalhamento é descrita pela teoria de EinsteinSmoluchowski Segundo essa teoria o espalhamento devido à flutuação da densidade em líquidos é isotrópico sendo similar para frente e para trás Figura 315a similar ao espalhamento Rayleigh para gases O espalhamento por partículas é causado pela interação dos fótons com as partículas orgâni cas e inorgânicas em suspensão na água Em ambientes aquáticos o diâmetro da seção transversal da maioria das partículas é maior do que 2 µm Kirk 2011 Esse diâmetro é maior do que o maior com primento de onda da luz visível que é de 07 µm no vermelho Quando as partículas são maiores que os comprimentos de onda dos fótons as possíveis direções do fóton após interagir com uma partícula são descritas pela teoria de espalhamento Mie2 Essa teoria prevê que o espalhamento ocorra em pequenos ângulos em relação à direção original de propagação da luz Figura 315c Uma condição interme diária ocorre quando os tamanhos das partículas são aproximadamente iguais ao do comprimento de onda Figura 315b Nesse caso o espalhamento é preferencialmente para a frente mas não tão inten so quanto para partículas grandes A intensidade e a forma do espalhamento no meio aquático são in fluenciadas pelos seguintes parâmetros concentração de partículas diâmetro das partículas índice de refração das partículas em relação a água forma das partículas e absorção de radiação pelas partículas É importante ressaltar que o espalhamento não remove a luz pois o fóton espalhado continua disponível mas se propagando em outra direção O efeito do espalhamento é fazer com que o fóton siga uma trajetória em zigzag entre um espalhamento e outro dificultando a penetração vertical da luz Este processo aumenta a trajetória e consequentemente a probabilidade do fóton ser absorvido por um dos componentes absorvedores do meio aquático Durante esse processo alguns fótons são espalhados de volta em direção à superfície da água Em síntese o efeito do espalhamento é intensifi car a atenuação vertical da luz na coluna dágua São os processos de espalhamento e absorção da luz no meio aquático que possibilitam o uso do sensoriamento remoto para estudo e monitoramento de sistemas aquáticos Figura 315 Distribuição angular da intensidade de espalhamento a Para partículas muito menores que o comprimento de onda espalhamento Rayleigh e para o caso de flutuação de densidade em líquidos teo ria EinsteinSmoluchowski b Para partículas de tamanho aproximadamente igual ao do comprimento de onda c Para partículas muito maiores do que o comprimento de onda 00 3150 450 1350 2250 2700 900 Direção de propagação partículas λ a 3150 450 1350 2250 2700 900 1800 00 partículas λ b 3150 450 1350 2250 2700 900 1800 00 partículas λ c Direção de propagação Direção de propagação 2 A teoria Mie descreve a interação da luz com partículas esféricas homogêneas 35 PROPRIEDADES ÓPTICAS INERENTES A óptica hidrológica fundamentase na interação do campo de luz solar com o meio aquático A descrição quantitativa do campo de luz como vimos pode ser feita a partir de medidas das grandezas radiométricas definidas na seção 4 Resta então saber como quantificar e descrever as mudanças que o meio aquático submete ao campo de luz Sabese que os dois processos ópticos que ocorrem quando a luz propaga na coluna dágua são a absorção e o espalhamento dos fótons Então as medidas radiométricas do quanto as massas de água absorvem e espalham a luz podem ser usadas tanto para quantificar as mudanças causadas pela coluna dágua quanto para determinar as propriedades ópticas do meio aquático As propriedades ópticas inerentes ao meio aquático são definidas em termos do coeficiente de absorção do coeficiente de espalhamento e da função de espalhamento de volume Essas propriedades são denominadas de propriedades ópticas inerentes IOPs Inherent Optical properties porque suas magnitudes dependem somente da composição e da concentração das substâncias particuladas e dissolvidas presentes na água além da própria água Para que possam ser inerentes ao meio ou seja não sejam afetados por eventos externos como as variações da iluminação a medida desses coeficientes é feita por equipamentos que têm uma fonte de luz própria Já que não dependem da luz solar esses parâmetros podem ser medidos tanto in situ quanto em laboratório A definição formal desses coeficientes é feita usando como recurso uma camada imaginária de água de espessura ΔX e volume ΔV Figura 316a iluminada perpendicularmente por um feixe de luz colimado fótons com trajetórias paralelas e monocromático de fluxo Φiλ Apesar da definição referenciar a um feixe monocromático os coeficientes podem ser determinados para uma faixa espectral tendo um valor para cada comprimento de onda formando assim um coeficiente espectral Ao se propagar na camada de água uma parte do fluxo incidente Φaλ será absorvida uma outra parte Φsλ será espalhada em direções diferentes da direção original do fluxo incidente o índice s está sendo usado para manter a nomenclatura original em inglês para espalhamentoscattering O fluxo restante Φtλ formado pelos fótons que não foram absorvidos e nem tiveram sua direção original de propagação alterada é transmitido para a próxima camada de água Conforme as condições de contorno definidas na Fig 315 o coeficiente de absorção aλ unid 1m é definido como a fração do fluxo incidente que foi absorvido ΦaλΦiλ dividido pela espessura ΔX da camada imaginária Ou seja aλ é a fração absorvida por unidade de distância na coluna de água Equação 37 Na formalização matemática de aλ considerase que ΔX 0 e que aλ é a taxa de variação do Φa λ em relação à espessura da camada ou seja a derivada Φa λ em relação à ΔX aλ lim ΔX 0 ΦaλΦiλ ΔX 1Φiλ dΦaλdX 37 Similar ao coeficiente de absorção o coeficiente de espalhamento bλ unid 1m é definido como a fração do fluxo incidente que é espalhada ΦsλΦiλ em todas as direções dividido pela espessura ΔX da camada imaginária O espalhamento de um feixe colimado de luz passando por uma fina camada do meio é radialmente simétrica em torno da direção original do feixe Então a luz espalha no formato de um cone como ilustrado na Figura 316b Figura 316 Geometria usada na definição das propriedades ópticas inerentes afrações resultantes do fluxo incidente ao interagir com a água e intervalo do ângulo ψ de espalhamento 0 ψ 1800 Adaptado de Mobley 1994 b ilustração da distribuição angular do espalhamento por partículas Adaptado de Roesler 2015 bλ lim ΔX 0 ΦsλΦiλ ΔX 1Φiλ dΦsλdX 38 A soma de aλ e bλ é definida como o coeficiente de atenuação cλ unid 1m ou seja cλ aλ bλ 39 É importante ressaltar que no processo de espalhamento os fótons podem ser espalhados em qualquer direção Cada corpo dágua tem a sua forma angular característica do espalhamento em função dos tipos e das concentrações dos constituintes A informação da distribuição do espalhamento de um certo corpo dágua que também afeta a penetração da luz não está contida no coeficiente de espalhamento bλ O atributo que descreve essa propriedade óptica inerente ao meio é a função de espalhamento de volume VSF volume scattering function A VSF βψλ unid m1sr1 determina a fração do fluxo incidente que é espalhado dentro de um determinado ângulo sólido ΔΩ centrado na direção do ângulo ψ Equação 310 Figura 316a O ângulo ψ tomado em relação a direção original de propagação do fluxo Φi λ é denominado ângulo de espalhamento βψλ lim ΔX 0 lim ΔΩ 0 ΦsψλΦiλ ΔXΔΩ 1Φiλ dΦsψλdX dΩ 310 Os valores de ψ estão no intervalo 0 ψ 1800 Figura 316a Quando o espalhamento está no mesmo sentido da propagação do Φiλ 0 ψ 900 o espalhamento é denominado para frente 40 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos bf Quando o espalhamento está no sentido contrário ao da propagação de Φiλ 900 ψ 1800 o espalhamento é denominado de retroespalhamento bb A função de espalhamento de volume βψλ aplica o princípio de que as direções de espalha mento dentro do meio aquático podem ser descritas por uma função de distribuição angular A forma da βψλ das águas naturais difere de maneira acentuada da forma da βψλ água pura Figura 317 O espalhamento por água pura Figura 317a é do tipo por flutuação de densidade e varia acentua damente com o comprimento de onda 1λ432 tendo um valor mínimo em 90 graus e aumenta siste maticamente em direção aos maiores e menores ângulos espalhamento quase isotrópico O espalha mento por águas naturais Figura 317b mesmo aquelas mais limpas é caracterizado invariavelmente por espalhamento fortemente concentrado em pequenos ângulos para a frente Conforme mencionado anteriormente é um espalhamento típico por partícula de tamanho maior do que o comprimento de onda da luz Essa característica mostra que o espalhamento por águas naturais é primariamente devido às partículas na água Assumindo que não ocorra uma grande variação na composição das massas dágua as pro priedades ópticas inerentes não mudam com o tempo sendo portanto parâmetros adequados para caracterizar o meio aquático e descrever as mudanças que o meio causa no campo de luz incidente Entretanto o sensoriamento remoto orbital não permite a estimativa das IOPs diretamente pois os sensores dependem de uma fonte natural Sol em que as condições de iluminação geometria e intensidade não podem ser controladas Em função disso um segundo conjunto de propriedades ópticas é definido que depende tanto do meio aquático quanto da estrutura direcional do campo de luz ambiente Estas são denominadas de propriedades ópticas aparentes AOPs Apparent optical proper ties Então a interpretação de dados de sensoriamento remoto de corpos dágua depende fortemente das relações que ligam as propriedades ópticas aparentes desse corpo aquático às suas propriedades ópticas inerentes As AOPs registram as mudanças no campo de luz devido à sua interação com o meio aquático e com isso fazem a conexão entre essas mudanças e os constituintes biológicos químicos e geológicos das águas naturais Espalhamento para frente Espalhamento para frente Retro Espalhamento Retro Espalhamento a b 𝛽 𝜓 550 𝑚1𝑠𝑟1 𝛽 𝜓 550 𝑚1𝑠𝑟1 x 104 Figura 317 Funções de espalhamento de volume FEV em corpos dágua a FEV da água pura no compri mento de onda de 550 nm b FEV de dois tipos de águas naturais uma água oceânica limpa espalhamento total de 0037 m1 e uma água moderadamente túrbida espalhamento total de 0037 m1 Fonte adaptado de Kirk 2011 41 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático 36 PROPRIEDADES ÓPTICAS APARENTES A s propriedades ópticas aparentes são combinações de grandezas radiométricas utilizadas como indicadores da cor e da transparência da água Conceitualmente podese dizer que as AOPs quantificam e descrevem as mudanças as quais um corpo dágua submete o campo de luz incidente Diferentemente das IOPs que são definidas a partir de um feixe de luz colimado as AOPs são definidas sob condições de iluminação natural em campo onde o fluxo de luz solar incide segundo uma estrutura geométrica direcional e espectral instantânea qualquer Em função dessas condições as AOPs dependem tanto da composição do corpo dágua das IOPs quanto das condições ambientais forma da superfície da água vento mudança na intensidade luminosa devido à mudança de elevação solar e à passagem de nuvens estação do ano etc Além disso para que possam ser usadas como descritoras de um corpo dágua e das mudanças que as massas dágua submetem um campo de luz natural as AOPs precisam ter estabilidade e características suficientemente regulares As grandezas radiométrias descritas anteriormente apesar de dependerem da composição do corpo dágua não são suficientemente estáveis e regulares para descreverem e caracterizarem um corpo dágua As irradiân cias e radiâncias podem sofrer grandes variações de magnitudes em questões de segundos devido à passagem de uma nuvem em frente do sol ou devido a fortes ventos que alteram a superfície da água Contudo as observações mostraram que certas razões entre grandezas radiométricas denominadas de reflectâncias e taxas de mudança dessas grandezas com a profundidade são suficientemente es táveis para caracterizarem um corpo dágua Uma AOP ideal deve ter pequena influência dos fatores externos para que as diferenças ópticas entre os dois corpos dágua sejam bem representadas As prin cipais AOPs são razões de irradiâncias e razões de radiâncias por irradiâncias ambas denominadas de reflectâncias e as taxas de extinção de radiância e irradiância com a profundidade denominadas de coeficientes de atenuação difusos 361 Reflectâncias A reflectância de irradiância espectral Rzλ ou razão de irradiâncias unid adimensional é definida como a razão da irradiância espectral ascendente Euzλ pela irradiância espectral descendente Edzλ Equação 311 O índice z representa a profundidades em qualquer posição na coluna dágua em que as medidas de Euzλ e Edzλ foram feitas Normalmente usase z 0 para in formar que a medida é feita logo abaixo da superfície da água ou z 0 para o caso da medida ser feita logo acima da superfície Rzλ Euzλ Edzλ adimencion 311 Em que Rzλ é uma medida de quanto da irradiância descendente é refletida na direção ascendente quando medida por um coletor cosseno Figura 318a A reflectância de radiância ou simplesmente reflectância de sensoriamento remoto Rrsθϕλ unid sr1 é definida como razão da radiância emergente da coluna dágua Lw θϕλ na direção θϕ pela irradiância incidente Esλ Equação 312 ambas medidas acima da superfície da água Figura 318b Alguns autores usam Edz0λ para designar a irradiância incidente Esλ Rrsθϕλ Lwθϕλ Esλ sr1 312 42 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos A reflectância de sensoriamento remoto é uma medida de quanto da radiação incidente na superfície da água retorna da coluna dágua na direção θϕ onde está posicionado um radiômetro apontando para a superfície da água Vale ressaltar que o radiômetro mede toda a radiância ascendente da superfície da água Lt θϕλ e não só a emergente da coluna dágua Figura 318c Dessa forma Lt θϕλ contém Lw θϕλ mais a radiância espectral que é refletida pela superfície Lr θϕλ ou seja Lt θϕλ Lw θϕλ Lr θϕλ sendo que Lr θϕλ não carrega informação sobre a coluna da água podendo ser considerada um ruído que precisa ser removido A reflectância de sensoriamento remoto de subsuperfície rrszλ unid sr1 é definida como razão da radiância ascendente Luzλ pela irradiância descendente Edzλ Equação 313 ambas me didas logo abaixo da superfície da água z0 Os radiômetros para as medidas de Euzλ e Luzλ devem ser posicionados perpendicularmente à superfície da água e direcionados para o fundo Já o radiômetro para a medidas de Edzλ deve ser posicionado também perpendicularmente à superfície mas direcionado para o céu Figura 312 rrszλ Luzλ Edzλ sr1 313 362 Coeficientes de atenuação difuso E studos realizados a partir de medidas de radiância e irradiância na coluna dágua mostraram que a luz solar decresce de forma aproximadamente exponencial com a profundidade Em função disso podese determinar a magnitude da irradiância descendente Edzλ em uma dada pro fundidade z e num certo comprimento de onda λ a partir da sua taxa de decaimento kd com a pro fundidade na coluna dágua A equação 314 descreve a dependência de Edzλ com a profundidade z EdzλEd0λekdzλ m1 314 Resolvendo a equação 314 para se determinar kd temse unid m1 Kdzλ 1 Edzλ d Edzλ dz 315 Em que kdzλ é a taxa de decaimento da irradiância com a profundidade a qual é denominada de Eu zλ Ed zλ Z a Edλ Lwθφλ θ Ω b Luzθφλ Lwθφλ Lrθφλ Ld zθφλ Edλ LT θφλ Lwθφλ Lrθφλ c Figura 318 Ilustrações das grandezas radiométricas utilizadas nas refletâncias a reflectância de irradi ância espectral Rzλ b reflectância de sensoriamento remoto Rrsθϕλ c radiância total ascendente da superfície da água Lt θϕλ Fonte Adaptado de Ocean Optics webbook coeficiente de atenuação vertical espectral difuso para a irradiância plana descendente De forma similar podese determinar os coeficientes de atenuação difuso para a radiância descendente e para as irradiância e radiância ascendente É importante a distinção entre os coeficientes de atenuação difuso kdzλ e o coeficiente de atenuação de feixe cλ O cλ é definido em termos da radiação oriunda de um feixe estreito e colimado de fótons O kdzλ é definido em termos do decaimento com a profundidade de uma irradiância descendente Edzλ a qual compreende fótons deslocandose em todas as direções descendentes ou seja um campo de luz não colimado O kdzλ depende da estrutura direcional do campo de luz ambiente sendo assim uma propriedade óptica aparente Os coeficientes de atenuação vertical difusos estritamente falando são propriedades do campo de luz dado que são taxas de decaimento das grandezas radiométricas com a profundidade Entretanto a experiência tem mostrado que seus valores são amplamente determinados pelas propriedades ópticas inerentes do meio aquático e não são muito alterados por mudanças no campo de radiação incidente como por exemplo uma mudança na elevação solar Preisendorfer 1976 363 Cossenos médios Uma descrição espacial completa do campo de luz cobrindo todos os ângulos zenitais e azimutais pode ser feita por meio de medidas da radiância pois como visto anteriormente a radiância quando medida em diferentes direções contém as informações desses ângulos Entretanto isso demanda uma grande quantidade de medidas Por exemplo para se ter uma distribuição com intervalos angulares de 5 graus são necessários 1369 valores de radiância Kirk 2011 Uma maneira aproximada e simples entretanto útil de se especificar a estrutura angular do campo de luz é por meio três cossenos médios cosseno médio da luz descendente μd cosseno médio da luz ascendente μu e cosseno médio do campo de luz inteiro μ O μ em um certo ponto da coluna dágua é a média dos cossenos dos ângulos zenitais de todos os fótons descendente passando por aquele ponto A partir de dedução analítica Mobley 1994 chegase μdzλdef Edzλ E0dzλ 316 Em que Edzλ é a irradiância planar descendente medida na profundidade z e E0d zλ é a irradiância escalar descendente também medida na profundidade z Da mesma forma o μu em um certo ponto da coluna dágua é a média dos cossenos dos ângulos zenitais de todos os fótons ascendente passando por aquele ponto Mobley 1994 μuzλdef Euzλ E0uzλ 317 Em que E0u zλ é a irradiância escalar ascendente medida na profundidade z Já o cosseno médio geralresultante para o campo de luz inteiro μ em um certo ponto da coluna dágua é determinado pela equação 318 μzλdef Edzλ Euzλ E0zλ 318 Em que E0 zλ é a irradiância escalar total também medida na profundidade z 44 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos 37 COMPONENTES OPTICAMENTE ATIVOS NOS SISTEMAS AQUÁTICOS O s sistemas aquáticos contêm um grande número de substâncias dissolvidas e particuladas orgânicas e inorgânicas que diferem em tamanho forma e composição química Ao filtrar amostras de água natural as substâncias que ficam retidas num filtro de poro 04 µm são denomina das de particulado total e a fração que passa pelo filtro e permanece diluída na água é denominada de substâncias dissolvidas A distinção pela dimensão de 04 µm 400 nm está relacionada com o limite mínimo da visão humana que é o menor comprimento de onda na região do visível Mobley 1994 Apesar dessa definição usualmente filtros de poros 07 µm são utilizados para a determinação da con centração de particulados e de 02 µm para determinação de material dissolvido As substâncias presentes nas águas naturais que interagem com radiação solar e portanto são responsáveis pelos processos de absorção e de espalhamento da luz são denominadas de componentes ou constituintes opticamente ativos COAs Os COAs são a água pura a matéria orgânica dissolvida colorida CDOM e o particulado total fitoplâncton e sedimentos minerais e orgânicos Cada um desses componentes têm propriedades ópticas específicas de absorção e de espalhamento da radiação solar ou seja têm propriedades ópticas que lhes são inerentes Como os COAs podem coexistir em diferentes proporções e interagir simultaneamente com a radiação solar os efeitos dos processos de absorçãoespalhamento de um COA interferem nos efeitos dos processos de outro COA Dessa forma os resultados das interações simultâneas dos COAs com a luz num corpo dágua determinam o com portamento espectral das massas de água e suas variações de concentrações regulam a intensidade da radiação retro espalhada pela coluna dágua Se as propriedades ópticas inerentes dos COAs forem suficientemente conhecidas é possível determinar suas contribuições na radiância ascendente da coluna dágua e com isso estimar suas con centrações Entretanto é importante ressaltar que nem todas as substâncias presentes nas águas na turais são oticamente ativas ou seja provocam alterações no campo de luz ex oxigênio dissolvido Portanto essas substâncias não contribuem para definir o comportamento espectral do corpo dágua No atual nível da tecnologia de sensoriamento remoto por exemplo não é possível detectar a presença de diferentes níveis de concentração de fósforo na água assim sendo podese afirmar que o fósforo não é uma substância opticamente ativa 371 Água pura e suas propriedades ópticas inerentes O termo água pura referese à água sem qualquer constituinte ou seja uma substância com posta apenas por moléculas de água Devido às propriedades da água como solvente a sua obtenção com alto grau de pureza é extremamente difícil Estudos mostraram que as propriedades de absorção da água pura podem com alto grau de confiança ser consideradas invariantes A absorção da luz pelas moléculas de água ocorre de forma seletiva em relação ao comprimento de onda Figura 319 sendo muito baixa nas regiões do azul e do verde passando a ser significativa apenas a partir de 550 nm com altos valores de absorção no fim do vermelho e infravermelhopróximo onde estão as bandas de absorção devido ao estado de vibração fundamental das moléculas de água Uma coluna de água pura de um metro de espessura absorve 35 da luz incidente no comprimento de onda de 680 nm Acima de 750 nm grande parte da radiação incidente é absorvida no primeiro centímetro da co luna de água e convertida em calor Dois pontos de inflexão ombros podem ser notados na curva um bem definido próximo de 604 nm e outro mais fraco próximo de 514 nm Esses dois pontos têm sido atribuídos aos processos vibracionais das ligações OH da molécula de água no estado líquido 45 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático O espalhamento pela água pura não ocorre individualmente em cada molécula de água mas em regiões não homogêneas causadas por flutuações microscópicas na densidade da água conforme descrito na seção 5 desse capítulo Ao contrário da absorção o espalhamento da água pura é alto na região do azul e decresce fortemente em direção ao infravermelho Figura 319 Isso explica porque águas limpas com baixa concentração de substâncias particuladas e dissolvidas apresentam uma cor azulada por refletir mais energia na região do azul Esse comportamento devese à forte dependência do comprimento de onda λ atribuída ao espalhamento por flutuação de densidade sendo este propor cional à 1λn com n variando entre 405 e 435 372 Matéria orgânica dissolvida e suas propriedades ópticas inerentes A matéria orgânica dissolvida MOD presente nos ecossistemas aquáticos é proveniente tanto da decomposição da fauna e flora terrestres carreada para os corpos dágua origem alócto ne quanto da atividade biológica existente na coluna dágua degradação do fitoplâncton zooplâncton e da excreção da biota aquática origem autóctone Durante o processo de decomposição de matéria orgânica por ação microbial antes de se chegar ao dióxido de carbono e formas inorgânicas de ni trogênio enxofre e fósforo um grupo de compostos complexos denominados substâncias húmicas é formado Do ponto de vista da ecologia aquática a significância dessas substâncias está relacionada ao seu impacto considerável no processo de absorção da luz na coluna dágua Kirk 2011 Por remover de forma eficiente já nos primeiros centímetros da coluna dágua o componente azul da radiação in cidente faz com que o corpo dágua tenha uma cor amarelada as substâncias húmicas são usualmente denominadas de substâncias amarelas Enquanto em águas oceânicas o fitoplâncton é o principal ab sorsor em muitas águas interiores a absorção é frequentemente dominada por CDOM Gege 2017 Os compostos que formam as substâncias húmicas variam em tamanho sendo considerados desde livres solúveis até agregados macromoleculares insolúveis Esses compostos têm como caracte rística um formato polimérico formando longas cadeias de anéis aromáticos e variam entre moléculas solúveis de baixo peso molecular a macromoléculas insolúveis com alto peso molecular Em função dessa característica as substâncias húmicas são classificadas por fracionamento em húmus ácidos 200 300 400 500 600 700 800 015 010 005 000 3 2 1 0 10xa Comprimento de onda λ nm Coeficiente de absorção a m1 Coef de espalhamento b m1 Figura 319 Curvas de absorção linha sólida e espalhamento linha pontilhada da água pura determina das em laboratório por Smith e Baker 1981 46 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos húmicos e ácidos fúlvicos Kirk 2011 O húmus é a fração da substância húmica que não se dissolve em uma solução alcalina O ácido húmico é a fração da parte solúvel que se precipita por acidificação e o ácido fúlvico é a fração que permanece solúvel A fração da MOD que absorve a radiação na região do ultravioleta UV e do visível é denominada de matéria orgânica colorida dissolvida sendo o termo CDOM derivado do inglês Colored Dissolved Organic Matter o mais utilizado para referirse a estas substâncias dissolvidas O coeficiente de absorção em 440 nm aCDOM440 é utilizado como indicador da concentração da CDOM em águas naturais O comprimento de onda 440 nm é utilizado como referência por repre sentar o ponto médio do pico de absorção que a maioria das algas tem na região do azul Kirk 2011 apresenta uma síntese da faixa de absorção pela CDOM em 440 nm Para águas interiores segundo levantamento feito por ele a faixa vai de 006 a 19 m1 Para águas costeiras vai de 0004 a 382 m1 e para oceano aberto vai de 0 a 016 m1 Entretanto por falta de dados esse levantamento não contempla valores da América do Sul As medidas realizadas pela equipe do LabISA em lagos amazônicos e reser vatórios brasileiros ao longo de 5 anos mostraram uma faixa de absorção pela CDOM entre 029 m1 e 3 m1 Ferreira 2014 Barbosa et al 2015 Silva 2018 Watanabe 2016 determinou o aCDOM440 do reservatório de Barra Bonita em duas datas Para o mês de maio de 2014 o valor médio foi de 079 m1 e para outubro do mesmo ano foi de 111 m1 A absorção pela CDOM similar à água pura também ocorre de forma seletiva em relação ao comprimento de onda possuindo altos valores na região do UV decrescendo exponencialmente em direção aos maiores comprimentos de onda e atingindo valores muito baixos ao fim do vermelho e início do infravermelho próximo A concentração da CDOM varia acentuadamente não só entre águas interiores e oceânicas mas também entre diferentes sistemas aquáticos interiores A Figura 320 ilustra essa variabilidade por meio do espectro do coeficiente de absorção pela CDOM aCDOMλ de dife rentes sistemas aquáticos australianos e brasileiros Como se pode observar em geral lagos naturais e barragem australianas apresentam maiores concentrações do que rios e águas costeiras Figura 320a Para águas interiores brasileiras os resultados obtidos pela equipe do LabISA mostram que lagos da planície de inundação amazônica apresentam maior concentração de CDOM do que em reservatórios amostrados pele equipe Figura 320b c Notase também que similar às águas australianas a con Figura 320 Espectros de absorção pela CDOM a absorção da CDOM em vários ambientes aquáticos aus tralianos Fonte adaptado de Kirk 1976 b absorção da CDOM no rio amazonas e lagos da planície de inundação Amazônica c absorção da CDOM em reservatórios hidroelétricos brasileiros c b a 47 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático centração de CDOM no rio Amazonas é menor que nos lago da planície Uma possível explicação para isto seria o aumento do CDOM nos lagos devido aos processos autóctones degradação do fitoplânc ton zooplâncton etc O espectro de absorção pela CDOM unid m1 pode ser descrito por uma função exponencial da forma aCDOMλ aCDOMλ0eSλ0λ m1 319 Em que λ0 é um comprimento de onda de referência e S a declividade da curva exponencial determi nada empiricamente a partir de medidas em laboratório A variabilidade na declividade da curva de absorção está associada à composição da CDOM Ácidos fúlvicos têm maior declividade e menor ab sorção do que os ácidos húmicos com o aumento do comprimento de onda O valor do pH dos ácidos húmicos e fúlvicos também influencia essa declividade A CDOM é de extrema importância para a estrutura e funcionamento dos ecossistemas aquá ticos uma vez que absorve de maneira eficiente nos comprimentos de onda mais curtos da radiação solar gerando tanto reações fotoquímicas quanto protegendo a biota aquática de danos induzidos por radiação UVB Em contrapartida essa absorção eficiente principalmente na região do azul pode di minuir consideravelmente a quantidade de radiação fotossinteticamente ativa PAR disponível para o fitoplâncton o que pode ocasionar a redução da produção primária além de introduzir a erros no estudo de águas naturais por sensoriamento remoto por modificar a cor da água Xie et al 2012 O efeito do espalhamento pela CDOM ainda não é claramente compreendido A literatura de proprieda des ópticas da água principalmente as oceânicas tem como pressuposto de que o espalhamento pela CDOM é insignificante podendo ser negligenciado DallOlmo et al 2009 Entretanto alguns autores sugerem a existência de espalhamento na região do visível para diferentes concentrações de CDOM Stramski e Wozniak 2005 tanto que quantificações da CDOM vêm sendo feitas via medidas de flu orescência que é um tipo de espalhamento Ocean Optics Web Book Dado a variação dos valores da CDOM encontrados em alguns sistemas aquáticos interiores o efeito do espalhamento pela CDOM poderia ser mais facilmente observado nessas águas mas ainda não existem estudos comprovando tal fato 373 Particulado total e suas propriedades ópticas inerentes E ntre os constituintes da água natural o particulado total é o que tem de maior peso no com portamento óptico da água Mobley 1994 Ele é composto de microalgas fitoplâncton e de partículas inorgânicas e orgânicas não algais em suspensão Na literatura limnológica o particulado to tal é denominado de seston e a fração sem o fitoplâncton de tripton Já no jargão da óptica hidrológica ele é denominado de total de sólidos suspensos TSS Para propósitos de caracterização óptica o TSS é fracionado em organismos clorofilados microscópicos Fitoplâncton e partículas não algais NAP NonAlgal Particles A NAP é composta por partículas inorgânicas e orgânicas não algais em suspen são A fração orgânica da NAP produtos de degradação do fitoplâncton é denominada de detrito Essa separação é feita devido à grande diferença em termos de interação que cada fração tem com a REM A distribuição de tamanho das partículas em águas naturais ocorre de forma continua e aproximadamen te hiperbólica Bader 1970 com o número de partículas de diâmetros maior do que D proporcional a Dγ em que γ é constante para um certo corpo dágua mas pode variar de 07 e 6 para diferentes ambientes aquáticos Jerlov 1976 48 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos 3731 Partículas não algais NAP A fração inorgânica das NAPs é derivada do intemperismo de rochas na bacia de captação ou de ressuspensão pelo vento em águas rasas Já a fração orgânica deriva de células fitoplânc tônicas mortas e de subprodutos de vegetação As atividades humanas que incluem práticas agrícolas e industriais também contribuem para a NAP As propriedades de absorção e espalhamento das NAPs dependem principalmente da composição do tamanho e da forma das partículas A razão orgânico inorgânico e o conteúdo de ferro controlam o índice de refração das NAPs afetando suas propriedades ópticas Em concentrações típicas as NAPs não absorvem muito a luz mas espalham intensamente Essa característica dificulta a medida de absorção e consequentemente a caracterização das NAPs em termos de absorção Em função dessa dificuldade as propriedades de absorção das NAPs têm recebido pouca atenção Em concentrações típicas não é possível medir sua absorção em espectrofotometria normal Uma abordagem para superar essa dificuldade é filtrar um volume maior e depois ressuspen dêla em um volume menor de água A maioria dos espectros de absorção por NAP tem formas muito similares tendo maiores valo res na região espectral do ultravioleta e do azul decrescendo exponencialmente em direção aos maio res comprimentos de onda e atingindo valores muito baixos ou ausente no fim do vermelho e início do infravermelho próximo São espectros similares em forma aos de absorção por CDOM mas com menor magnitude e taxa de decaimento Estudos consideram que esta característica se deve ao fato das substâncias dissolvidas estarem adsorvidas nas partículas da NAP ou partículas maiores de húmus que fazem parte da NAP A Figura 321 mostra espectros de absorção de águas interiores australianas com diferentes concentrações de NAP e substâncias dissolvidas Os espectros de absorção por NAP similares ao CDOM são também descritos por uma função exponencial aNAPλ aNAPλref eSNAPλλref 320 Em que aNAPλref é a absorção por NAP no comprimento de onda de referência no azul é o fator de forma da curva exponencial também denominado de declividade exponencial que depende da com posição orgânica e inorgânica da NAP A declividade espectral das NAP é tipicamente menor que a observada para CDOM Para águas costeiras na Europa Babin et al 2003 descreveu valores médios entre 00123 e 00013 nm1 Embora a distribuição hiperbólica de tamanho de partículas em águas naturais implique em que as partículas menores sejam mais numerosas a menor eficiência de espalhamento das partículas menores faz com que o espalhamento em águas naturais seja dominado por partículas de seção trans versal maior do que 2 µm D2 Jerlov 1976 Como este tamanho é aproximadamente três vezes maior do que o maior comprimento de onda da luz visível que é de 07 µm no vermelho o espalha mento por NAP bNAP é preferencialmente para a frente e em pequenos ângulos como mostrado na Figura 315c O espectro de bNAPλ decresce de maneira aproximadamente linear com o comprimento de onda Figura 322 e é muito similar ao espectro do espalhamento do particulado total bpλ tanto em magnitude quanto em forma Sun et al 2010 A declividade do espectro reduz progressivamente a medida em que a concentração total de partículas reduz e a fração orgânica do NAP eventualmente fica mais significativa Kirk 2011 A dependência do comprimento de onda do espalhamento por Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático As propriedades de espalhamento do fitoplâncton impactam diretamente a refletância do sensoriamento remoto Em geral o fitoplâncton espalha mais fortemente do que absorve a luz Bricaud et al 1983 Estudos de Morel Bricaud 1986 mostraram que para 22 tipos de águas oceânicas a razões do coeficiente específico de espalhamento pelo de absorção variaram de 4 a 22 Estudos também mostraram que os valores dos coeficientes de espalhamento e retroespalhamento do fitoplâncton quando comparados com os dos NAPs são relativamente baixos devido ao alto teor de água e fortes propriedades de absorção Aas 1996 Exceção à regra são os coccolitóforos fitoplânctons que produzem pequenas escamas de carbonato de cálcio o que os torna eficientes espalhadores que permite ver seu florescimento do espaço Balch et al 1996 A forma e magnitude do espalhamento são altamente dependes do tamanho da forma e do índice de refração das células fitoplânctônicas Em geral o espalhamento para frente é muito maior do que o retroespalhamento consistente com o seu grande tamanho de células em relação ao comprimento de onda no visível 38 A EQUAÇÃO DE TRANSFERÊNCIA RADIATIVA Os algoritmos bioópticos analíticos partem da hipótese de que se as características de um campo de luz subaquático são determinadas unicamente pelas IOPs do corpo dágua então é possível derivar relações analíticas entre as IOPs e o campo de luz O arcabouço teórico utilizado para derivar essas relações é a ETR Na sua forma padrão a ETR descreve como a radiância L varia em direção e magnitude com a distância dentro de um corpo dágua Os processos considerados na formulação ETR baseados no balanço de energia para um feixe de fótons deslocando em certa direção conforme ilustrados pela Figura 24a são I Perda de fótons por absorção II Perda de fótons por espalhamento em outras direções sem mudança no comprimento de onda III Perda de fótons por espalhamento com a mudança no comprimento de onda IV Ganho de fótons pelo feixe por espalhamento advindo de outras direções sem mudança no comprimento de onda espalhamento elástico V Ganho de fótons por espalhamento advindo de outras direções com mudança no comprimento de onda VI Ganho de fótons por meio da criação de fótons pela conversão de energia não radiante em energia radiante emissão Como base nestes sete processos a forma geral da ETR é μ dLxξλdz czλLxξλ LkExξλ LkIxξλ LkSxξλ 322 Em que ξ é a direção de propagação μ cosθ z é a profundidade x é o vetor posição no espaço cab é a atenuação O primeiro termo do lado direito czλLxξλ representa a redução da radiância pelos processos I II e III listados acima O segundo termo LkExξλ representa o acréscimo na radiância resultante do processo IV O terceiro termo LkIxξλ representa o acréscimo na radiância resultante do processo V O quarto termo LkSxξλ representa o acréscimo na radiância resultante do processo VI Segundo Mobley 1994 a radiância Lxξλ é a grandeza radiométrica fundamental da ótica hidrológica pois ela especifica a estrutura espacial x direcional ξ e espectral λ de campo de luz conforme mostrado na equação 322 Todas as demais grandezas radiométricas podem ser derivadas a partir da radiância Por exemplo as irradiâncias descendente e ascendente relacionamse com a radiância da seguinte forma 51 50 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos As células do fitoplâncton por serem fortes absorvedoras da luz visível desempenham um papel importante nas propriedades de absorção das águas naturais A quantidade de luz absorvida depende não só da concentração total dos pigmentos presentes mas também do tamanho número e forma das células e colônias algais A clorofilaa com fortes bandas de absorção no azul 430nm e no vermelho 665nm Figura 323a está presente em todas as espécies de fitoplâncton e é o principal pigmento modelador da forma do espectro de absorção pelo fitoplâncton Em função dessas características me didas da concentração de clorofilaa em corpos dágua são usadas como indicativo da abundância de fitoplâncton Assim como a clorofilaa os demais pigmentos também absorvem a luz de forma seletiva Figura 323a fazendo com que o espectro de absorção pelo fitoplâncton seja caracterizado por um certo número de picos Um parâmetro adequado para comparar ambientes aquáticos distintos em termos de absor ção é o coeficiente de absorção específico pelo fitoplâncton a phy que representa o coeficiente de absorção exibido por células fitoplanctônicas correspondente a uma concentração de 1 miligrama de clorofilaa por metro cúbico O a phy é determinado dividindo o coeficiente de absorção do fitoplâncton aphy pela concentração de clorofilaa da amostra analisada A Figura 323b c mostra espectros do coeficiente de absorção específico espectral do fitoplâncton em dois ambientes aquáticos brasileiros no reservatório hidroelétrico de Funil no estado do Rio de Janeiro Figura 323b e em lagos da planície de inundação amazônica Figura 323c Como se pode observar a intensidade e forma espectral são distintas para cada ambiente refletindo a composição e concentração de espécies no ambiente Figura 323 Espectro de coeficiente de absorção específica a alguns dos principais tipos de pigmentos en contrados em fitoplânctons Bidigare et al 1990 b Reservatório de Funil RJ c lagos amazônicos a b c NAP para uma certa distribuição de partículas segue aproximadamente a lei de Angstrom bNAPλ bNAPλλrefn 321 Em que o valor do expoente n para águas oceânicas fica tipicamente entre 0 e 1 BlondeauPatissier et al 2009 e em torno de 0 para águas interiores Babin et al 2003a Chami et al 2005 λref é o comprimento de onda de referência em 555 nm e bNAP é o coeficiente de espalhamento específico do NAP em análise Figura 321 Comparação das propriedades de absorção espectral das frações particuladas e dissolvidas de águas interiores australianas Fonte adaptado de Kirk 2011 Figura 322 Espectros do coeficiente de espalhamento por NAP Fonte Adaptado de Sun et al 2010 3732 Organismos clorofilados microscópicos e suas propriedades ópticas O fitoplâncton é um grupo que inclui centenas de espécies de microalgas da biota aquática com tamanho variando de 02 a 1000 μm com grande diversidade de formas esféricas cilíndricas meia lua etc e contendo pigmentos fotossintéticos sendo a clorofila o pigmento mais importante Dependendo da composição das microalgas outros pigmentos como carotenóides e biliproteinas podem estar presentes A composição de espécies e abundância é influenciada pela qualidade da água mas principalmente pelo campo de luz subaquático e carga de nutrientes nitrogênio e fósforo Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos Edxtλdef φ θ2π0π2 Lxtθφλcosθsenθ dθ dφ 323 Euxtλdef φ θ2ππ2π Lxtθφλcosθsenθ dθ dφ 324 Em que Lxtθφλ é a radiância espectral numa certa posição x As duas principais ferramentas disponíveis para o desenvolvimento e a parametrização de algoritmos analíticos são o Hydrolight 5 Mobley e Sundman 2008 e o WASI Gege 2012 Essas ferramentas permitem derivar as AOPs a partir das IOPs e das condições de contorno abordagem direta conforme ilustrado na Figura 33 Figura 324 a Processos considerados no desenvolvimento da Equação de Transferência Radiativa em um corpo de água b convenção de ângulos e direções para a descrição formal do campo de radiação no espaço euclidiano tridimensional θ e φ são os ângulos zenital e azimutal ξ é a direção de propagação Eu hemisfério superior Ed é hemisfério inferior ΔΩξ é o ângulo sólido na direção ξ i1 i2 i3 são vetores unitários no espaço Fonte Transparência do curso Radiative transfer theory Optical Oceanography and Hidrolight ministrado no INPE pelo Dr Curtis Mobley disponível em httpwwwdpiinpebrlabisa 53 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático e dos constituintes opticamente ativos coeficientes de absorção de espalhamento e de atenção e das propriedades ópticas aparentes de corpos dágua razão de irradiância reflectância de sensoriamento remoto coeficiente de atenuação difuso e cosseno médio O relacionamento entre essas grandezas e propriedades fundamentais para o estudo quantitativo das interações da luz com corpos dágua está sintetizado no fluxograma da Figura 33 As informações derivadas dessas grandezas radiométricas quantificadas associadas a técnicas de sensoriamento remoto é que possibilita a estimativa de parâ metros de qualidade de água Finalizase este capítulo com uma descrição da equação de transferência radiativa a estrutura matemática que faz a conexão entre as propriedades ópticas inerentes dos corpos dágua e as grandezas radiométricas registradas pelos sensores remotos REFERÊNCIAS Aas E 1996 Refractive index of phytoplankton derived from its metabolite composition Journal of Plankton Research 1812 22232249 Babin M Stramski D Ferrari G M Claustre H Bricaud A Obolensky G Hoepffner N 2003 Variations in the light absorption coefficients of phytoplankton nonalgal particles and dissolved organic matter in coastal waters around Europe Journal of Geophysical Research Oceans 108C7 Bader H 1970 The hyperbolic distribution of particle sizes Journal of Geophysical Research 7515 28222830 Balch W M Kilpatrick K A Holligan P Harbour D Fernandez E 1996 The 1991 coccolithophore bloom in the central North Atlantic 2 Relating optics to coccolith concentration Limnology and Oceanography 418 1684 1696 Barbosa C Novo E M L M Ferreira R Carvalho L Cairo C Lopes F Alcantara E 2015 Brazilian Inland Water BioOptical Dataset to Support Carbon Budget Studies in Reservoirs as well as Anthropogenic Impacts in Amazon Floodplain Lakes Preliminary Results International Archives of the Photogrammetry Remote Sensing Spatial Information Sciences Bidigare R R Ondrusek M E Morrow J H Kiefer D A In vivo absortion properties of algal pigments Anais SPIE Ocean Optics X SI n 1302 p 290302 1990 BlondeauPatissier D Brando V E Oubelkheir K Dekker A G Clementson L A Daniel P 2009 Bio optical variability of the absorption and scattering properties of the Queensland inshore and reef waters Australia Journal of Geophysical Research Oceans 114C5 Bukata R P Jerome J H Kondratyev A S Pozdnyakov D V 1995 Optical Properties and Remote Sensing of Inland and Coastal Waters CRC Press Chami M Shybanov E B Churilova T Y Khomenko G A Lee M G Martynov O V Korotaev G K 2005 Optical properties of the particles in the Crimea coastal waters Black Sea Journal of Geophysical Research Oceans 110C11 DallOlmo G Westberry T K Behrenfeld M J Boss E Slade W H 2009 Significant contribution of large particles to optical backscattering in the open ocean Biogeosciences 66 947 Ferreira R 2014 Caracterização da ótica e do carbono orgânico dissolvido no reservatório de Três MariasMG 2014 108f Dissertação Mestre em Sensoriamento Remoto Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais São José dos Campos Gege P 2017 Radiative transfer theory for inland waters In Biooptical Modeling and Remote Sensing of Inland Waters pp 2567 Gege P 2012 Estimation of phytoplankton concentration from downwelling irradiance measurements in water Israel Journal of Plant Sciences 6012 193207 Jerlov N G 1976 Marine optics Vol 14 Elsevier Kirk J T 2011 Light and photosynthesis in aquatic ecosystems Third Edition Cambridge university press Kirk J T O 1976 Yellow substance gelbstoff and its contribution to the attenuation of photosynthetically active radiation in some inland and coastal southeastern Australian waters Marine and Freshwater Research 271 6171 Lee Z Ahn Y H Mobley C Arnone R 2010 Removal of surfacereflected light for the measurement of remotesensing reflectance from an abovesurface platform Optics Express 1825 2631326324 Mobley C D 1994 Light and water radiative transfer in natural waters Academic press Academic press Mobley C D Sundman L K 2008 HYDROLIGHT 5 ECOLIGHT 5 Sequoia Scientific Inc Novo E 2008 ML de M Sensoriamento Remoto Princípios e Aplicações Editora Edgar Blücher Ltda 2 Ocean Optics Web Book httpwwwoceanopticsbookinfo INTRODUÇÃO AO SENSORIAMENTO REMOTO Evlyn Márcia Leão de Moraes Novo Flávio Jorge Ponzoni São José dos Campos 2001 Introdução ao Sensoriamento Remoto 2 SUMÁRIO Pág 1 INTRODUÇÃO 03 11 Um breve histórico sobre o Sensoriamento Remoto 04 2 FUNDAMENTOS DE SENSORIAMENTO REMOTO 06 21 Conceituação 06 22 Conceitos radiométricos 09 3 TIPOS DE DADOS DE SENSORIAMENTO REMOTO 11 31 Plataformas de sensoriamento remoto 13 32 Sistemas sensores sistemas fotográficos 15 321 O sistema visual humano 15 322 Analogia entre o olho humano e a câmera fotográfica 17 323 Visão das cores 17 33 Sistemas fotográficos 18 34 Obtenção de medidas a partir de fotografias aéreas 23 341 Visão estereoscópica 26 35 Interpretação de fotografias aéreas 27 36 Sistemas sensores imageadores eletroópticos 27 361 Sistemas imageadores 27 362 Tipos de imageadores 31 363 Detetores 32 37 Sistemas sensores RADAR 33 371 Conceitos básicos 33 372 Geometria de imageamento RADAR 35 373 Tipos de sistemas RADAR 36 374 Interações entre a radiação de microondas e a superfície terrestre 38 375 Variáveis do sistema 39 378 Variáveis ligadas ao objeto imageado 40 4 COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE ALVOS 41 41 Comportamento espectral da água 42 411 Propriedades ópticas da água 45 412 Absorção no meio aquático 46 413 O espalhamento no meio aquático 48 42 Comportamento espectral dos solos e de minerais e rochas 50 43 Comportamento espectral da vegetação 52 431 Interação da REM com os dosséis vegetais 55 432 Particularidades sobre a aparência da vegetação em imagens orbitais 56 5 ELABORAÇÃO DE IMAGENS DA SUPERFÍCIE TERRESTRE 58 6 IMAGENS COM ALTA RESOLUÇÃO ESPACIAL 61 7 SENSORIAMENTO REMOTO HIPERESPECTRAL IMAGEAMENTO ESPECTROSCÓPICO 63 8 INTERPRETAÇÃO VISUAL DE IMAGENS UMA ABORDAGEM METODOLÓGICA 65 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 68 Introdução ao Sensoriamento Remoto 3 1 INTRODUÇÃO O Brasil iniciou os investimentos na capacitação de profissionais e no desenvolvimento de infraestrutura que viabilizasse a aplicação das técnicas de sensoriamento remoto ao final da década de 1960 com a implantação do Projeto Sensoriamento Remoto no Instituto de Pesquisas Espaciais No início dos anos 70 todas as atividades concentraramse na recepção e na utilização de imagens orbitais MSS dos satálites da série Landsat Contudo o conhecimento disponível naquela época restringiase à viabilização da identificação de feições específicas existentes na superfície terrestre que por sua vez possibilitou a elaboração de mapas temáticos variados Em meados da década de 80 com o lançamento do sensor Thematic Mapper TM a bordo do satélite Landsat 4 e posteriormente do Landsat 5 a resolução espacial mais fina e o maior número de faixas espectrais exploradas deste sensor em relação a seu antecessor MSS abriram novas possibilidades da aplicação das técnicas de sensoriamento remoto incluindo não só os mapeamentos temáticos como também os estudos visando à quantificação de parâmetros biofísicos por exemplo biomassa florestal mediante o uso dos dados radiométricos derivados das imagens geradas Independentemente do caráter acadêmico das atividades vinculadas ao uso das técnicas de sensoriamento remoto muitos dos trabalhos eram fruto de dissertações de mestrado ou teses de doutorado nesta época também começaram a surgir as primeiras empresas voltadas à aplicação dessa tecnologia para atender a demandas de mercado Essas empresas passaram a vender serviços explorando os conhecimentos que foram sendo adquiridos por instituições de pesquisa como o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE Passaram também a desenvolver suas próprias soluções para problemas que foram surgindo como decorrência do atendimento de serviços cada vez mais sofisticados e específicos Assim o país passou a contar com inúmeras possibilidades de aplicação das técnicas de sensoriamento remoto as quais vêm sofrendo até modificações de cunho conceitual Os trabalhos que anteriormente se concentravam no uso de imagens orbitais ou de fotografias aéreas visando apenas o mapeamento de uma determinada feição ou classes de cobertura da superfície terrestre passaram a incluir a quantificação de parâmetros geofísicos e biofísicos o que exigiu um aprofundamento dos conhecimentos dos princípios nos quais se baseiam as técnicas de sensoriamento remoto Esse conhecimento fazse cada vez mais necessário em função das novas possibilidades do uso de dados oriundos de sensores com resoluções espaciais cada vez mais finas e que estão possibilitando a realização de serviços considerados impossíveis de ser viabilizados através do uso dos sensores até então disponíveis como o MSS e TM É o caso do sensor colocado a bordo do satélite IKONOS que tem como objetivo gerar imagens que possibilitem a identificação de objetos de dimensões em torno de de 4 a 5 metros em faixas espectrais que vão do visível ao infravermelho próximo Abremse então novas possibilidades na aplicação de dados gerados a partir das técnicas de sensoriamento remoto criando alternativas para o desenvolvimento e aplicação de outras técnicas agora denominadas técnicas de geoprocessamento ou simplesmente geotecnologias O sensoriamento remoto passa agora a uma outra etapa de sua história no país O objetivo deste curso é fornecer algumas informações básicas sobre os princípios físicos nos quais se fundamentam as técnicas de sensoriamento remoto apresentar os principais sistemas de coleta de dados incluindo sistemas sensores fotográficos e eletroópticos informar sobre as características espectrais dos principais recursos naturais capacitar os Introdução ao Sensoriamento Remoto 4 participantes na interpretação visual de imagens multiespectrais e informar sobre as principais possibilidades de aplicação das técnicas de Sensoriamento Remoto 11 Um breve histórico sobre o sensoriamento semoto O desenvolvimento inicial do sensoriamento remoto é cientificamente ligado ao desenvolvimento da fotografia e à pesquisa espacial As fotografias aéreas foram o primeiro produto de sensoriamento remoto a ser utilizado tanto é assim que a fotogrametria e a fotointerpretação são termos muito anteriores ao termo sensoriamento remoto propriamente dito A primeira fotografia de que se tem notícia foi obtida por Daguerre e Niepce em 1839 e já em 1840 o seu uso estava sendo recomendado para levantamentos topográficos O desenvolvimento nesta direção foi tão rápido que já em 1858 o Corpo de Engenharia da França estava utilizando fotografias tomadas a partir de balões para o mapeamento topográfico de amplas áreas do território francês O advento do avião simultaneamente ao desenvolvimento das câmaras fotográficas filmes etc trouxe um grande impulso às aplicações das fotografias para o levantamento de recursos naturais visto que permitiu a obtenção de dados sob condições controladas e com a cobertura de áreas relativamente amplas As primeiras fotografias aéreas foram tomadas em 1909 pelos irmãos Wright sobre o território italiano As fotografias aéreas coloridas se tornaram disponíveis a partir de 1930 Nesta mesma época já haviam iniciado os estudos para a produção de filmes sensíveis à radiação infravermelha Com o início da 2a Grande Guerra começaram estudos sobre o processo de interação da radiação nessa faixa do espectro com os objetos com a finalidade de utilizar filmes infravermelhos para a detecção de camuflagem Em 1956 foram iniciadas as primeiras aplicações sistemáticas de fotografias aéreas como fonte de informação para o mapeamento de formações vegetais nos Estados Unidos da América No Brasil datam de 1958 as primeiras fotografias aéreas na escala 125 000 obtidas com o propósito de levantar as características da Bacia Terciária do Vale do Rio Paraíba como parte de um extenso programa de aproveitamento de seus recursos hídricos que culminou com a retificação de seu médio curso entre Jacareí e Cachoeira Paulista e com a construção dos reservatório hidrelétrico de Paraibuna O termo sensoriamento remoto apareceu pela primeira vez na literatura científica em 1960 e significava simplesmente a aquisição de informações sem contato físico com os objetos Desde então esse termo tem abrigado tecnologia e conhecimentos extremamente complexos derivados de diferentes campos que vão desde a física até a botânica e desde a engenharia eletrônica até a cartografia O campo de sensoriamento remoto representa a convergência de conhecimento derivado de duas grandes linhas de pesquisa De um lado como já foi dito o sensoriamento remoto é tributário da aerofotogrametria e da fotointerpretação de outro lado seu progresso se deve muito à pesquisa espacial e aos avanços tecnológicos por ela induzidos resultando em sensores mais sensíveis regiões espectrais ampliadas métodos radiométricos etc Embora a radiação de microondas fosse conhecida desde o início do século e existissem sistemas de radar em operação desde a 2a Grande Guerra apenas na década de 60 o uso de sistemas radares como sistemas de sensoriamento remoto se tornaram operacionais O Brasil representa um dos exemplos pioneiros de utilização de dados de radar aerotransportados para o levantamento de recursos naturais A partir de 1970 teve início o Projeto Radar na Introdução ao Sensoriamento Remoto 5 Amazônia RADAM que permitiu o levantamento de 85 milhões de Km2 do território nacional até o fim da década de 80 Esse levantamento foi feito pelo sistema GEMS Goodyear Eletronic Mapping System operando na banda X Trevett1986 A década de 60 também assistiu ao advento dos sistemas orbitais de sensoriamento remoto Os primeiros sensores orbitais foram voltados para aplicações meteorológicas Paralelamente houve também a utilização de câmaras fotográficas para a aquisição de fotografias da superfície terrestre durante as missões tripuladas da série Apolo É assim que na década de 70 é lançado o primeiro satélite experimental de levantamento de recursos terrestres Earth Resources Technology Satellite Esse satélite e o sensor multiespectral que leva a bordo tem tamanho sucesso que o seu nome é modificado para Landsat e se transforma no programa de sensoriamento remoto de mais longa duração já existente com o 7o satélite da série lançado em 1999 Em 1978 é lançado o primeiro sistema orbital de radar o SeaSat Esse satélite concebido para obter dados para o monitoramento da superfície oceânica mantevese em operação por apenas 3 meses Por razões controvertidas informação classificada alta taxa de dados para transmissão telemétrica alta potência requerida para operação dos sensores entre outras fizeram com que dados orbitais de RADAR só voltassem a ser disponíveis na década de 90 com o lançamento do satélite soviético Almaz 1990 ERS1 1991 JERS1 1992 e RADARSAT 1995 Atualmente existe um grande número de satélites de sensoriamento remoto em operação e planejados para entrar em operação Algumas dessas missões encontramse resumidas na Tabela 11 Maiores detalhes sobre essas missões podem ser encontrados em Kramer 1996 Tabela 11 Principais Missões de Sensoriamento Remoto Orbital em Operação e Planejadas até 2002 Missão Lançamento País ADEOS2 2000 Japão ALOS 2002 Japão ARIES 2001 Austrália CBERS1 1999 ChinaBrasil CBERS2 2001 ChinaBrasil EOSAM1 1999 USA EOSPM1 2000 USA EO1 2000 USA EROSA1 2000 Israel EROSA2 2001 Israel ERS2 1995 ESA Envisat 2001 ESA Ikonos2 1999 USA IRS1B 1991 Índia IRS1C 1995 Índia IRS1D 1997 Índia IRSP4 1999 Índia IRSP5 2002 Índia IRSP6 2001 Índia KITSAT3 1999 Corea Landsat5 1984 USA Landsat7 1999 USA LightSar 2002 USA QuickBird1 2000 USA Introdução ao Sensoriamento Remoto 6 QuickBird2 2001 USA Radarsat1 1995 Canadá Radarsat2 2001 Canadá Spot2 1990 França Spot4 1998 França Spot5 2002 França OrbView3 2000 USA OrbView4 2001 USA Como pode se observado O Brasil também encontrase arrolado entre países detentores de tecnologia para a aquisição de dados orbitais de sensoriamento Em 1999 após 10 anos de desenvolvimento o Brasil e a China lançaram com êxito relativo o satélite CBERS ChinaBrazil Earth Resources Satellite Esse satélite foi lançado com três sensores a bordo uma câmara de amplo campo de visada Wide Field Imager WFI uma camara CCD Coupled Charged Device e um sistema de varredura infravermelho IRMSS Infrared Multispectral System Atualmente o Brasil está envolvido no projeto de mais duas missões de sensoriamento remoto de recursos terrestres a missão SSR Satélite de Sensoriamento Remoto e a missão SABIA3 Satélite ArgentinoBrasileiro de Informações sobre Água Alimento e Ambiente Além dessas perspectivas apresentadas há ainda aquelas referentes aos denominados microsatélites cujos objetivos variam segundo as mais variadas concepções adotadas Como exemplo destacase o SPIN2 da União Soviética dotado de resolução espacial de aproximadamente 2 m em seu modo pancromático 2 Fundamentos de Sensoriamento Remoto 21 Conceituação A definição clássica do termo sensoriamento remoto SR referese a um conjunto de técnicas destinado à obtenção de informação sobre objetos sem que haja contato físico com eles Para melhor compreender esta definição fazse necessário identificar os quatro elementos fundamentais das técnicas de SR os quais podem ser representados através do esquema apresentado na Figura 21 Fig 21 Esquema representativo dos quatro elementos fundamentais das técnicas de sensoriamento remoto REM Fonte Sensor Alvo Introdução ao Sensoriamento Remoto 7 No centro do triângulo deste esquema encontrase a Radiação Eletromagnética REM que é o elemento de ligação entre todos os demais que se encontram nos vértices São eles a fonte de REM que para o caso da aplicação das técnicas de sensoriamento remoto no estudo dos recursos naturais é o Sol pode ser também a Terra para os sensores passivos de microondas e termais podem ser antenas de microondas para os sistemas radares o sensor que é o instrumento capaz de coletar e registrar a REM refletida ou emitida pelo objeto que também é denominado alvo e que representa o elemento do qual se pretende extrair informação A partir deste esquema compreendese que o elemento fundamental das técnicas de sensoriamento remoto é a REM que no vácuo propagase à velocidade da luz e sua interação com o meio físico pode ser explicada através de dois modelos o modelo corpuscular ou quântico e o ondulatório Sob uma perspectiva quântica a REM é concebida como o resultado da emissão de pequenos pulsos de energia enquanto que sob uma perspectiva ondulatória a REM se propaga na forma de ondas formadas pela oscilação dos campos elétrico e magnético A Figura 22 apresenta um esquema da representação dos campos elétrico e magnético e as oscilações mencionadas E Campo Elétrico M Campo Magnético XZ Plano de excitação do campo elétrico YZ Plano de excitação do campo magnético Z Direção de propagação da onde eletromagnética λ Comprimento de onda Fig 22Flutuações dos campos elétrico e magnético de uma onda FONTE Novo1989 No modelo ondulatório então a REM é caracterizada em comprimentos de onda que representam a distância entre dois pontos de igual intensidade dos campos elétrico e magnético O conjunto de comprimentos de onda que compõem a REM é conhecido como Espectro eletromagnético o qual é dividido didaticamente em um certo número de regiões espectrais conforme apresentado na Figura 23 Introdução ao Sensoriamento Remoto 8 Fig23O espectro eletromagnético e suas principais regiões No eixo x deste gráfico são encontrados os comprimentos de onda enquanto que no eixo y o parâmetro E pode ser compreendido como intensidade de REM emitida pela fonte A linha tracejada representa então a intensidade emitida a cada comprimento de onda no topo da atmosfera enquanto que a linha cheia que apresenta algumas descontinuidades representa esta mesma intensidade agora na superfície terrestre Estas descontinuidades são ocasionadas pela influência da atmosfera que se faz de forma seletiva ou seja ela ocorre de forma diferenciada em determinadas regiões espectrais As faixas espectrais nas quais a influência da atmosfera é mínima são denomindadas de janelas atmosféricas Conforme pode ser observado em ambas as linhas as maiores intensidades de REM são ocorrem na faixa de comprimentos de onda compreendida entre 04 à 07 µm Esta faixa foi apresentada na Figura 23 como sendo a região do visível assim denominada pelo fato de que a maioria dos animais assim como o homem são capazes de perceber a REM refletida dos objetos que os rodeiam nesta região espectral Cada fonte de REM possui espectos próprios de radiação O Sol radia a REM segundo o gráfico apresentado na Figura 24 Fig24Intensidade de energia solar no topo da atmosfera na superfície terrestre e de um corpo negro a 6000o K FONTE Swain e Davis 1978 Introdução ao Sensoriamento Remoto 9 As faixas mais comumente exploradas para fins do SR dos recursos naturais são visível infravermelho próximo infravermelho médio e microondas 22 Conceitos radiométricos Para que se possa compreender melhor como se viabiliza a aplicação das técnicas de SR no estudo dos recursos naturais fazse necessária a apresentação de pelo menos quatro parâmetros radiométricos O primeiro deles referese à Irradiância Em termos bastante simplificados a Irradiância representa a intensidade do fluxo radiante proveniente de todas as direções que atinge uma dada superfície A Figura 25 ilustra o aspecto geométrico mencionado Vale salientar que neste fluxo radiante estão contidos todos os diversos comprimentos de onda que são radiados pela fonte segundo suas próprias características assim como apresentado na Figura 24 para a fonte Sol Assim que um determinado fluxo radiante atinge uma superfície ele sofre três fenômenos reflexão transmissão e absorção Estes fenômenos são dependentes das características físicoquímicas do próprio objeto que definem as intensidades de reflexão transmissão e absorção da REM em cada comprimento de onda incidente no objeto Fig 25 Representação gráfica dos possíveis ângulos de incidência sobre um alvo FONTE Ponzoni e Disperati 1995 Imaginando então somente a porção refletida pelo objeto um novo fluxo será originado em sentido contrário ao incidente mas nas mesmas direções A intensidade deste fluxo pode também ser quantificada e é expressa pela chamada Excitância Parte deste fluxo refletido pelo objeto pode ser coletado por um sensor localizado remotamente O termo parte referese a dois aspectos um de ordem geométrica e outro de ordem espectral O de ordem geométrica referese por sua vez ao fato de que não há instrumentos capazes de registrar a Excitância uma vez que seria necessário o desenvolvimento de um sensor que envolvesse todo o objeto o que comprometeria a incidência da REM Evidentemente poderiam ser desenvolvidos métodos que permitissem sua estimativa mas outra solução foi adotada Para melhor compreender esta solução a Figura 25 apresenta um esquema da trajetória da REM proveniente de um ponto da superfície de um objeto fictício Todo sensor possui uma abertura pela qual a REM refletida ou emitada pelos objetos passa em direção ao chamado detetor que é o elemento que realmente sente a REM Essa abertura possui dimensões variáveis e dependentes das características tecnológicas do instrumento ou da própria natureza das operações de coleta de dados De qualquer forma entre esta abertura e o ponto da superfície do objeto passa a ser definido um cone por onde trafega a REM Esse cone é denominado de ângulo sólido Fica claro que somente a REM que estiver contida neste ângulo sólido será sentida pelo detetor mas ao mesmo tempo o sensor não observa somente um ponto na superfície Introdução ao Sensoriamento Remoto 10 e sim uma determinada área desta superfície a qual é constituída por infinitos pontos Assim o que realmente é medido pelo sensor é a intensidade de todos os infinitos fluxos contidos nos ângulos sólidos dos pontos da área da qual ele é capaz de observar Esta intensidade é denominada de Radiância A Radiância é portanto a intensidade do fluxo radiante por unidade de ângulo sólido e seu conceito pode ser comparado ao conceito de brilho ou seja um objeto é considerado mais brilhante quanto maior for sua Radiância medida O aspecto espectral referese ao fato de que a composição espectral do fluxo que deixa a superfície sofre alterações que são dependentes das suas características físico químicas Assim a Radiância medida por um sensor pode ser determinada para um intervalo específico de comprimentos de onda região ou banda espectral No esquema apresentado na Figura 25 fica claro que o sensor observa instantaneamente uma determinada porção da superfície do terreno A área desta superfície define o chamado elemento de resolução espacial Desta área é registrado um único valor de Radiância para cada faixa ou região espectral que o sensor é capaz de perceber a REM refletida ou emitida pelos objetos contidos em seu elemento de resolução espacial Fig25 Representação esquemática do conceito de Radiância medida através de um sensor remotamente localizado Notase portanto a existência de dois principais aspectos intrínsicos às técnicas de SR o aspecto espacial e o aspecto espectral Estes aspectos são comumente denominados de domínios espacial e espectral respectivamente O domínio espacial é expresso pela resolução espacial do sensor a qual é definida como a menor área da qual o sensor é capaz de registrar a REM O domínio espectral referese à largura da faixa espectral que este mesmo sensor é sensível Faixas mais largas conferem uma resolução espectral menor ao sensor Contrariamente elementos de resolução espacial menores conferem aos sensor maiores resoluções espaciais Existe ainda um terceiro domínio que é o domínio temporal o qual referese ao período de tempo compreendido entre duas coletas de dados sobre uma mesma superfície do Introdução ao Sensoriamento Remoto 11 terreno Este domínio é expresso pela resolução temporal da plataforma que sustenta o sensor podendo ser ela uma haste portátil uma aeronave ou até mesmo um satélite Dizse que um sensor possui maiores resoluções temporais quanto menores forem os períodos de tempo entre coletas de dados Pelo já exposto pode ser verificado que a Radiância é também dependente da intensidade do fluxo radiante que atinge o objeto Irradiância Quanto maior for essa intensidade maior também será aquela referente ao fluxo que deixa o objeto e consequentemente maior será a Radiância Para que se conheça as propriedades intrínsecas dos objetos em termos de sua interação com a REM fazse necessária a apresentação de mais um conceito importante que é o da Reflectância A Reflectância representa uma relação entre a Radiância refletida de um dado objeto pela Irradiância Notase portanto que a Reflectância expressa as propriedades instrínsecas dos objetos em refletir a REM sobre eles incidente Ela é expressa em percentagem possuindo então um caráter relativo É através da Reflectância que são estudadas as características intrínsecas dos objetos em refletir a REM incidente pois ela é dependente das suas propriedades físico químicas Este estudo é denominado de estudo do Comportamento espectral de alvos cujos principais aspectos serão apresentados oportunamente 3 TIPOS DE DADOS DE SENSORIAMENTO REMOTO Os tipos de dados de sensoriamento remoto a ser adquiridos dependem do tipo de informação necessária do tamanho e da dinâmica dos objetos ou fenômenos estudados Conforme já mencionado anteriormente a aquisição de dados é viabilizada através de instrumentos denominados sensores que diferenciamse entre si pela forma de funcionamente e por suas capacidades resoluções espacial espectral e radiométrica A Figura 31 apresenta um esquema no qual são relacionados alguns tipos de sensores e o papel que têm na aquisição dos diferentes tipos de informação Informação Informação Espectral Espectral Informação sobre Informação sobre Intensidade Intensidade Informação Informação Espacial Espacial Espctroradiômetros Espctroradiômetros Difusômetros Difusômetros Radiômetros Radiômetros Espectrômetros Espectrômetros Espectrômetros imageadores Espectrômetros imageadores Radiômetros Imageadores Radiômetros Imageadores Imageadores Imageadores Altímetros Altímetros Sondas Sondas Fig 31 Diferentes tipos de informações disponíveis em diferentes tipos de sensores Adaptado de Elachi 1987 Os dados de sensoriamento remoto podem ser adquiridos no formato de imagens bidimensionais quando são necessárias informações com alta resolução espacial como é Introdução ao Sensoriamento Remoto 12 o caso da imagem TMLandsat da Figura 32 Tais imagens também são importantes quando se deseja informação sinóptica sobre amplas áreas como aquelas fornecidas pelos satélites meteorológicos Figura 33 As imagens bidimensionais podem ser adquiridas em diferentes regiões do espectro eletromagnético tais como a região visível termal microondas etc com canais de diferentes resoluções espectrais que vão de poucos nanômetros como é o caso dos sensores hiperespectrais até sistemas pancromáticos que integram radiação em todo o espectro visível Os Espectrômetros são utilizados para detectar e medir o conteúdo espectral de um campo eletromagnético Este tipo de informação é importante para a identificação da composição química dos objetos Quando se estuda a atmosfera os aspectos espaciais são menos críticos do que quando se estuda a superfície terrestre porquê o gradiente de mudança da composição química é muito menor Assim sendo os sensores para o estudo da composição química da atmosfera não precisam ter resolução espacial elevada mas precisam de excelente resolução espectral No caso de estudos da superfície terrestre quando há o interesse de conhecer a composição química das rochas por exemplo tornase essencial uma boa resolução espacial e neste caso recomendase a aplicação de espectrômetros imageadores Fig 32 Imagem bidimensional do terreno exemplificada por um subcena de uma imagem do sensor Thematic Mapper a bordo do satélite Landsat5 Em inúmeras aplicações os aspectos espectrais e espaciais são menos importantes e o que se necessita são medidas precisas da intensidade do campo eletromagnético em uma ampla região espectral Um exemplo de sensores utilizados com essa finalidade são os radiômetros dentre os quais o Advanced High Resolution Radiometer que se encontra a bordo do satélite NOAA O Radiômetro do NOAA foi concebido para fornecer informações precisas sobre a temperatura Assim sendo a resolução espectral dos canais termais é de 1000 nm e a resolução espacial no nadir é de 1 1 km Mas a resolução radiométrica do sistema ou seja sua capacidade de medir pequenas variações na intensidade da radiância medida pelo sensor é bastante alta 10 bits Introdução ao Sensoriamento Remoto 13 Fig 33 Imagem sinóptica de um satélite meteorológico Em numerosas aplicações a informação necessária é a distribuição tridimensional de uma dada variável Neste caso sensores tais como os altímetros fornecem informações sobre a topografia da superfície e as sondas fornecem a distribuição vertical da temperatura na coluna atmosférica são extremamente úteis 31 Plataformas de sensoriamento remoto As plataformas de sensoriamento remoto definem o nível de aquisição dos dados Esses níveis podem ser orbital representados pelas plataformas espaciais aéreo representados pelas aeronaves e helicópteros e terrestre representados por torres e sistemas radiométricos de campo Até o ano de 1946 os dados de sensoriamento foram adquiridos essencialmente a partir de aeronaves ou balões Em 1946 foram obtidas as primeira fotografias a partir do foguete V2 Essas fotos demonstraram o imenso potencial que imagens orbitais possuíam uma vez que forneciam uma nova perspectiva de observação da Terra Apesar desse potencial apenas na década de 60 começaram a ser obtidos dados de sensoriamento remoto a partir de plataformas orbitais Em 1961 foi obtida a primeira fotografia orbital colorida a partir de um câmara automática colocada a bordo da espaçonave MA4 Mercury A partir desta data diversas outras missões orbitais foram realizadas e fotografias obtidas das mais diversa regiões do planeta Terra As plataformas espaciais de sensoriamento remoto podem ser classificadas em plataformas tripuladas tais como as da série Mercury Gemini Apollo na década de 60 e os ônibus espaciais Space Shuttle a partir dos anos 80 ou ainda as plataformas soviéticas Vostok Voskod Soyuz e não tripuladas como os vários programas existentes desde o lançamento dos primeiros satélites meteorológicos As plataformas espaciais podem ser classificadas em função do tipo de órbita em satélites geoestacionários e satélites de órbita polar Os satélites de órbita geoestacionária são satélites localizados em órbitas altas a pelo menos 35 mil quilômetros acima da superfície da Terra no plano do Equador as quais Introdução ao Sensoriamento Remoto 14 se deslocam à mesma velocidade e direção do movimento de rotação da Terra com isto o satélite se mantém estacionário em relação à superfície observando sempre a mesma região Os satélite GOES e Meteosat são exemplos de plataformas espaciais geoestacionárias Os satélites de órbita polar são síncronos com o Sol ou seja sua velocidade de deslocamento perpendicularmente ao plano do Equador é tal que sua posição angular em relação ao Sol se mantém constante ao longo do ano Um satélite de órbita polar completa em média 15 órbitas em torno da Terra por dia Cada órbita é completada em cerca de 100 minutos Esses satélites podem assim passar sob todos os pontos da superfície terrestre sempre no mesmo horário seja de dia ou seja a noite O primeiro satélite experimental a carregar a bordo um sensor meteorológico foi lançado pelos Estados Unidos da América em 1959 As primeiras plataformas espaciais de sensoriamento remoto foram os satélites meteorológicos da série TIROS Television Infrared Observation Sattelite lançado pela primeira vez em 1960 O programa teve tal êxito que em 1966 já havia um sistema global operacional de aquisição diária de dados meteorológicos sob a administração da NOAA National Oceanographic Atmospheric Administration No início da década de 60 a National Aeronautics and Space Administration NASA deu início ao programa de satélites da série Nimbus com o objetivo de atender às necessidades da pesquisa meteorológica O programa visava não só o desenvolvimento de plataformas orbitais mais avançadas mas também sensores mais avançados que permitissem o monitoramento diário e global da atmosfera terrestre para se criar uma base de dados para a previsão do tempo de curto e médio prazo O satélite Nimbus foi lançado em 1964 segundo uma órbita polar e é o precursor do atual satélite NOAA Em 1972 foi lançado pela NASA o primeiro satélite de Recursos Naturais o ERTS1 Earth Resources Technology Satellite o qual posteriormente foi renomeado para Landsat1 O Landsat1 foi seguido de uma série de satélites sendo que em 1999 foi lançado o sétimo com várias inovações tecnológicas decorrentes não só do desenvolvimento de detetores e componentes ópticos mais eficientes como também em decorrência das demandas da comunidade de usuários de produtos de sensoriamento remoto A partir de 1981 os ônibus espaciais passaram a prover uma outra plataforma alternativa para a aquisição de dados de sensoriamento remoto A Segunda missão do ônibus espacial levou a bordo um conjunto de sensores orientados para o sensoriamento remoto terrestre dentre os quais destacamse um radar imageador um radiômetro operando no visível e no infravermelho Em um futuro próximo estes estarão disponíveis para a aquisição de dados de sensoriamento a partir de estações espaciais As atividades de sensoriamento remoto não se limitam à superfície terrestre Na verdade elas tiveram seu início a partir da necessidade de se obter informações remotas de planetas como Marte Mercúrio Venus Júpiter Urano Existem numerosas imagens adquiridas da superfície da Lua Mercúrio Marte Júpiter e dos anéis de Saturno e da atmosfera de Venus Júpiter Saturno e Urano Outros tipos de sensores remotos como radares altímetros sondas detetores de radiação gama radiômetros são utilizados em inúmeras missões interplanetárias O uso de sistemas orbitais está se tornando uma necessidade em um número grande de disciplinas ligadas às ciências ambientais devido às necessidades de informações globais e sinópticas a pequenos intervalos de revisita Esses fatores são essenciais para a observação de fenômenos dinâmicos como a atmosfera os oceanos e os processos biológicos e biogeoquímicos Introdução ao Sensoriamento Remoto 15 A Tabela 31 apresenta uma relação de diferentes tipos de informação comumente necessárias em estudos que envolvem a aplicação de técnicas de sensoriamento remoto os respectivos tipos de sensores empregados e alguns exemplos de equipamentos atualmente disponíveis Tabela 31 Tipos de dados de sensoriamento remoto Adaptado de Elachi 1987 Tipo de informação necessária Tipo de Sensor Exemplo de Sistemas Alta resolução espacial e amplo recobrimento do terreno Sensores imageadores e câmeras Large Format Câmera radar imageador do satélite JERS1 Alta resolução espectral sobre áreas limitadas Espectrômetro e espectro radiômetros Shuttle Imaging Spectrometer Resolução espectral limitada com alta resolução espacial Mapeadores multiespectrais TMLandsat HRVSpot RADARSAT Alta resolução espectral e alta resolução espacial Espectrômetros imageadores AVIRIS MODIS ASTER Alta precisão de medidas de intensidade ao longo de linhas ou faixas Radiômetros e Difusômetros ERS1 difusômetro Alta precisão de medidas de intensidade com resolução espacial moderada Radiômetros imageadores SMMRAVHRR Alta precisão de localização e perfil Altímetros e sondas Altímetro TOPEXPoseidon Mapeamento Tridimensional do Terreno Altímetros Shuttle High Resolution Altimeter 32 Sistemas sensores sistemas fotográficos Uma vez que a energia emitida retroespalhada ou refletida pelo alvo atinja o sensor este deve ser capaz de realizar duas funções básicas a focalizar a energia sobre um detetor b transformar a energia focalizada numa intensidade de sinal passível de ser registrada de forma permanente Assim sendo todos os sistemas sensores são composto por um sistema de lentes um sistema de abertura óptica e um detetor Nesse sentido todo sistema sensor pode ser melhor compreendido através de sua analogia com o sistema visual humano O estudo do sistema visual humano permite compreender as funções básicos de um sistema sensor Segundo Slater 1980 o olho humano desempenha um papel muito importante na atividade de sensoriamento remoto não só pela semelhança com os sistemas sensores desenvolvidos a partir de analogias com a visão humana mas também pelo fato de que toda a análise das imagens de sensoriamento remoto e todas as atividades de interpretação dessas imagens repousam no processo de interpretação de cores padrões e texturas Segundo Slater 1980 os olhos são o derradeiro sensor contra o qual os demais são calibrados 321 O sistema visual humano Uma completa descrição do olho humano pode ser encontrada em Maluf Rosa 1999 Como pode ser observado na Figura 34 o globo ocular é formado por três membranas a uma membrana externa chamada esclerótica formada por um tecido fibroso e responsável pela proteção das membranas internas e pela manutenção da forma do olho A porção anterior da esclerótica é formada por um tecido transparente chamado córnea b uma membrana média chamada vascular formada pela coróide pelo corpo ciliar e pela iris Na porção anterior da membrana formase uma pequena abertura circular denominada pupila Introdução ao Sensoriamento Remoto 16 c uma membrana interna chamada retina ou membrana nervosa formada por receptores especializados em responder à estimulação pela luz e em transformar a energia luminosa em impulsos nervosos responsáveis pela sensação de visão A iris é um diafragma circular situado atrás da córnea e possuí uma abertura circular chamada pupila A iris é formada por dois tipos de fibras musculares lisas dispostas circularmente e radialmente Essas fibras são responsáveis pela variação do diâmetro de abertura da pupila nos processos de acomodação do olho a diferentes intensidades luminosas e a diferentes distâncias dos objetos Entre a esclerótica e a córnea formase um meio transparente chamado humor aquoso que preenche o espaço vazio entre a córnea e o cristalino O cristalino é formado por um conjunto de lentes biconvexas encerradas por uma membrana fina chamada cápsula e localizado imediatamente atrás da iris O cristalino encontrase à pequena distância atrás da pupila e é mantido na posição através dos ligamentos suspensores A cavidade ocular posterior ao cristalino é preenchida por uma substância gelatinosa transparente chamada corpo vítreo Fig 34 Esquema do Olho Humano Adaptado de Slater 1980 A imagem formada pelas lentes é focalizada na retina na porção posterior do olho A retina como já mencionado possui um mosaico de receptores sensíveis a luz conhecidos por cones e bastonetes Os cones ocupam uma região chamada de fóvea central ao longo do eixo óptico A fóvea central é a região da retina humana de maior acuidade visual visto que os cones são sensíveis a altos e médios níveis de intensidade luminosa e às diferenças de comprimento de onda da energia proveniente dos diferentes objetos Assim sendo a percepção de cor é função dos cones e se dá principalmente na região da fóvea central A medida em que se distancia da fóvea central a densidade de cones da retina diminuí e esta passa a ser formada por bastonetes os quais são responsáveis pela detecção de baixos níveis de energia e não sensíveis a cor Os cones são desta forma responsáveis pela visão fotótica ou diurna e os bastonetes pela visão escotótica ou noturna O máximo de sensibilidade média do olho humano à visão diurna encontrase em 555 nm enquanto o máximo de sensibilidade do olho humano à visão noturna encontrase em 505 nm A maior sensibilidade dos bastonetes a níveis mais baixos de energia se dá em detrimento da acuidade visual Os cones permitem o reconhecimento de objetos muito menores do que os bastonetes Introdução ao Sensoriamento Remoto 17 322 Analogia entre o olho humano e a câmera fotográfica Existem grandes semelhanças entre o olho humano e os sensores em geral e a câmera fotográfica em particular Essas analogias podem ser observadas na Figura 35 Em ambos os sistemas os raios luminosos são refratados e focalizados através de sistemas de lentes sobre uma superfície sensível Na câmera fotográfica esta superfície sensível é a película fotográfica nos sensores de varredura multiespectral são os detetores Nos olho humano esta superfície sensível é a retina O meio refringente na câmara fotográfica são as lentes nos sensores de varredura são lentes grades de difração espelhos etc e no olho humano é o cristalino a córnea e em menor grau o humor aquoso e o humor vítreo Fig 35 Esquema geral do olho humano como uma analogia de um sensor Adaptado de Maluf Rosa 1999 Como pode ser observado na Figura 35 a imagem de um objeto sofre uma inversão ao atingir a película O mesmo ocorre com a imagem retiniana È o processamento no cérebro que determina o reposicionamento da imagem Da mesma forma para que a imagem formada sobre a película fotográfica corresponda à imagem real o filme é submetido a processamento fotográfico 323 Visão das cores Existem diversas teorias sobre a visão das cores A teoria mais aceita preconiza que existem três tipos de cones receptores sensíveis à luz vermelha sensíveis à luz verde e sensíveis à luz azul A luz branca ao incidir sobre a retina estimularia igualmente todos os receptores A luz vermelha ao incidir sobre a retina apenas estimularia os receptores sensíveis àquela radiação provocando a percepção visual da cor vermelha Quando a cor amarela é vista a sensação resulta do fato de que tanto os receptores sensíveis ao verde quanto ao vermelho estão sendo estimulados com a mesma intensidade Introdução ao Sensoriamento Remoto 18 O primeiro cientista a provar que a sensação de luz branca era o resultado da existência simultânea de luzes de vários matizes foi Isaac Newton Através de um experimento simples que consistiu em fazer incidir um feixe de luz branca sobre um prisma A luz emergente do prisma projetada num anteparo branco resultou numa sucessão de diferentes matizes semelhantes às observadas em um arcoiris O fato de o prisma promover a decomposição da luz branca comprova a natureza ondulatória da radiação visto que esta se deve a variação do índice de refração do prisma nos diferentes comprimentos de onda Cada matiz decomposto está dessa forma associado a uma determinada freqüência de radiação ou comprimento de onda 33 Sistemas fotográficos O sistema fotográfico é composto basicamente por um sistema de lentes um obturador e um filme As lentes tem a função de focalizar a imagem do objeto sobre o filme O obturador por sua vez controla o tempo de exposição do filme As câmaras aéreas foram os primeiros sistemas sensores a serem utilizados para a extração de informações sobre a superfície terrestre Apesar do grande número de modelos diferentes de câmaras aéreas utilizadas em aerolevantamentos estas podem grosseiramente ser classificadas em duas categorias câmaras métricas e câmaras de reconhecimento As câmaras métricas são utilizadas com finalidade cartográfica o que faz com que sua configuração seja adaptada para que as distorções geométricas sejam minimizadas As câmaras de reconhecimento são utilizadas como o próprio nome diz para a identificação de objetos para a vigilância sem preocupação com a aquisição de dados quantitativos distância tamanho etc sobre os objetos imageados Um dos componentes fundamentais dos sistemas fotográficos são os filmes fotográficos O filme fotográfico consiste de uma camada gelatinosa que contém cristais de sais insolúveis de prata cloreto brometo ou iodeto conhecidos como haletos de prata ou halogenetos de prata Os grãos individuais de sais de prata possuem tamanho variável entre 001 e 003 mícrons Esse conjunto gelatinoso impregnado de sais de prata é conhecido tecnicamente pelo nome de emulsão Ao atingir a emulsão a luz reage com os sais de prata e reduz os íons prata a átomos de prata metálica A quantidade de prata reduzida pela luz é proporcional a intensidade da luz incidente Entretanto mesmo sob condições de alta incidência a quantidade de íons convertidos a prata é muito pequena e se forma na emulsão uma imagem latente do objeto fotografado ou seja uma imagem escondida não revelada Para que a imagem latente se transforme em uma imagem do objeto o filme precisa ser submetido ao processo de revelação Na imagem latente cada grão de prata possui um núcleo de prata metálica cujo tamanho é proporcional à luz incidente naquele ponto O processo de revelação consiste em provocar o aumento do núcleo de prata metálica de cada grão de prata O poder de resolução do filme depende do tamanho dos sais de prata À medida que aumenta o tamanho dos sais diminui a capacidade do filme de registrar pequenos detalhes Por outro lado quando menor o tamanho dos sais de prata menor é a sensibilidade do filme ou seja menor sua capacidade de gerar uma imagem latente sob condições de baixa iluminação Outro componente dos filmes são os corantes os quais são responsáveis pela absorção seletiva da luz antes que estas atinjam os sais de prata Por isso os corantes são Introdução ao Sensoriamento Remoto 19 utilizados para sensibilizar os grãos em relação a qualquer cor de luz desejada através do espectro visível até o limite da radiação infravermelha Os filmes podem ser caracterizados por sua velocidade ou sensibilidade granularidade tamanho dos grãos de prata resolução espacial e curva caracterísitica curva de sensibilidade A Figura 36 mostra a curva característica de um filme e os conceitos a ela associados Pela análise dessa figura podese observar que a densidade do filme é proporcional à exposição do filme Quanto maior a exposição maior a densidade do filme ou seja mais sais de prata são transformados em prata metálica A inclinação da curva característica em sua região linear é expressa pela tangente do ângulo θ e representa o valor de gama do filme γ A gama do filme expressa o seu contraste Um filme com gama maior que 1 um tem um contraste maior do que um filme com gama menor que 1 um visto que a energia incidente sobre o filme é distribuída para um amplo range de níveis de cinza ou matizes no caso de filmes coloridos Fig 36 Curva característica de um filme A velocidade dos filmes é fornecida em termos de unidades de ASA American Standard Association para filmes comuns ou em termos de unidades de AFS Aerial Film Speed para filmes especialmente concebidos para missões de aerolevantamento A Tabela 31 exemplifica a relação entre granularidade velocidade e resolução espacial da fotografia aérea para uma dada escala Tabela 31 Relacionamento entre as diferentes características de um filme adaptada de Curran 1985 Filme Tipo de Filme AFS Granularidade Resolução espacial linhas por mm para um contraste 161 Resolução Espacial na escala 115000 3414 Reconhecimento 8 1 250 6 3410 Reconhecimento 40 2 80 19 2402 Métrico 200 3 50 30 2403 Métrico 640 4 25 60 Introdução ao Sensoriamento Remoto 20 A Figura 37 permite comparar dois filme de velocidade diferentes O Filme A é um filme rápido e o filme B é um filme lento Em outras palavras o Filme A tem um gama maior que 1 um um contraste alto alta granularidade e pequena amplitude de exposição O filme é sensível a baixos níveis de exposição e pode ser usado em situações que a velocidade de exposição deve ser alta A resolução radiométrica do filme é pequena mas sua resolução espacial é alta O filme B é um filme com um valor de gama menor do que 1 um baixo contraste e baixa granularidade Fig 37 Comparação de curvas características de filmes Existem diferentes tipos de filmes mas eles podem ser classificados em duas amplas categorias filmes preto e branco e filmes coloridos Os filmes preto e branco caracterizamse por serem sensíveis a uma ampla região do espectro eletromagnético Os filmes preto e branco foram e são amplamente utilizados em atividades de aerolevantamento em fotogrametria pôr várias razões 1 são mais baratos são geometricamente estáveis são ideais para aplicações métricas Historicamente os filmes preto e branco tem sido amplamente utilizados em estudos e aplicações relacionadas ao levantamento de recursos naturais Dentre as aplicações mais populares destacamse mapeamento geológico identificação de culturas levantamento de solos etc Outro tipo de filme preto e branco amplamente utilizado é o filme infravermelho preto e branco A principal diferença entre o filme pancromático e o infravermelho preto e branco é que este último tem sua sensibilidade estendida à região do infravermelho próximo Este filme pode ser usado com ou sem filtros Quando utilizado com filtros que bloqueiam a radiação visível permite a aquisição de fotografias na região do infravermelho próximo Este tipo de filme é muito útil em estudos voltados a identificação de doenças em plantas A sensibilidade desse filme à umidade do solo torna esse filme muito útil também para mapear a condição hídrica dos solos Essa mesma característica do filme tem sido utilizada para localizar limites geológicos associados a variações no conteúdo de umidade e à profundidade da camada de intemperismo Os filmes infravermelhos podem ser também utilizados em sistemas fotográficos multibandas Neste caso sistemas de lentes e filtros permitem que a radiação em Introdução ao Sensoriamento Remoto 21 diferentes comprimentos de onda sejam focalizadas em diferentes regiões do filme permitindo a recomposição posterior de uma fotografia colorida infravermelho A Figura 38 mostra de forma esquemática um filme adquirido com um sistema fotográfico multi banda A cena foi imageada simultaneamente através de um filtro vermelho verde azul e infravermelho Fig 38 Esquema de um filme infravermelho utilizado para adquirir fotografia aérea multi banda O quadro vermelho representa a imagem sensibilizada pela luz vermelha o quadro verde pela luz verde o quadro azul pela luz azul e o quadro lilaz pela radiação infravermelha A composição colorida é obtida combinandose três a três as diferentes imagens Podese gerar uma composição infravermelha colorida combinandose por exemplo a imagem obtida no azul no verde e no infravermelho e associandose cada uma dessas imagens a filtros das cores azul verde e vermelho respectivamente Assim na composição resultante todas as superfícies com alta intensidade de sinal infravermelho aparerecerão na cor vermelha Outra ampla categoria de filmes são os filmes coloridos O olho humano pode perceber mais do que 20 000 variações de cores enquanto percebe apenas 200 variações de níveis de cinza Apenas esta diferença na percepção humana de cores já demonstra que os filmes coloridos apresentam um potencial de informação maior do que aquele apresentado pelos filmes preto e branco Os filmes coloridos foram desenvolvidos de modo a simular a sensibilidade do olho humano as cores Assim sendo os modernos filmes coloridos possuem três camadas fotográficas uma sensível à luz azul outra sensível a luz verde e outra sensível à luz vermelha As três camadas são superpostas formando um trio Como a sensibilização de uma camada sensível ao verde ou vermelho não limita sua sensibilidade à radiação azul a camada azul é colocada em primeiro lugar Entre esta camada e as demais é colocado um filtro amarelo para absorver o remanescente da radiação azul evitando que as demais camadas sejam atingidas por ela Além dos grãos fotográficos as camadas de um filme colorido possuem acopladores de cor corantes Assim sendo na camada sensível ao vermelho o acoplador é escolhido de maneira que o corante formado absorva a luz vermelha resultando assim a formação da cor complemetar o ciano De modo semelhante formase um corante magenta na camada sensível ao verde e um corante amarelo na camada sensível ao azul O processo de formação de cores nesse caso é subtrativo As cores do objeto de interesse são subtraídas da imagem latente sendo registrada apenas sua cor complementar A Figura 39 ilustra o processo de formação de cores através da sensibilização e revelação de um filme colorido Introdução ao Sensoriamento Remoto 22 Fig 39 Exemplo de processamento de filme colorido O custo de aquisição de fotografias aéreas coloridas é muito mais elevado do que o da aquisição de fotografias pancromáticas Os filmes coloridos têm sido utilizados para uma ampla gama de aplicações em ecologia e em geociências Devido à grande variedade de cores relacionáveis a diferentes espécies vegetais as fotografias aéreas coloridas tem sido amplamente utilizadas na identificação de espécies elas são também bastante utilizadas no estudo de diferentes tipos de culturas agrícolas Existem ainda filmes coloridos infravermelhos e filmes infravermelhos falsa cor cuja estrutura e processamento são bastante similares a dos filmes coloridos O filme infra vermelho falsa cor utiliza a camada sensível ao azul para registrar a radiação verde e a camada sensível á radiação vermelha para registrar a radiação infravermelha Assim sendo as fotografias infravermelhas coloridas falsacor não trazem informações sobre o componente azul dos alvos visto que ele é bloqueado por um filtro antes de atingir o filme Assim sendo um objeto de cor azul da cena aparecerá negro em uma fotografia colorida falsa cor A Figura 310 ilustra a estrutura de um filme infravermelho falsa cor Introdução ao Sensoriamento Remoto 23 Fig 310 Estrutura de um filme infravermelho colorido falsa cor Os filmes infravermelhos falsa cor são amplamente utilizados em diversas aplicações ambientais as quais incluem a classificação de áreas urbanas o monitoramento da umidade do solo a avaliação de desastres ambientais na avaliação do estado fitossanitário de culturas agrícolas e de plantios de essências florestais entre outras Este tipo de filme é mais útil em situações em que as características da vegetação sejam o elemento essencial de caracterização do estado da superfície Uma das aplicações mais difundidas do filme infravermelho colorido falsa cor é a identificação de áreas de anomalias geobotânicas as quais podem ser associadas a áreas de ocorrência de regiões com potencial para a exploração mineral Outra aplicação importante dos filmes infravermelhos coloridos falsacor é a delimitação de regiões alagadas em áreas de difícil acesso Este tipo de informação é de grande utilidade em aplicações militares visto que permite a avaliação das condições de tráfego de veículos pesados 34 Obtenção de medidas a partir de fotografias aéreas A obtenção de medidas a partir de fotografias aéreas requer o conhecimento de suas propriedade geométricas As duas propriedades geométricas mais importantes de uma fotografia aérea são as propriedades angulares e a escala da fotografia Em função do ângulo de aquisição da fotografia aérea ela pode ser classificada em vertical oblíqua e oblíqua baixa conforme Figura 311 As fotografias aéreas mais amplamente obtidas são as fotografias aéreas verticais visto que suas propriedades se assemelham às propriedades de um mapa com escala quase constante ao longo da cena fotografada A grande vantagem das fotografias aéreas oblíquas é a de que para uma mesma altura de vôo elas podem recobrir áreas muito mais amplas do terreno sendo portanto mais úteis em atividades de reconhecimento Introdução ao Sensoriamento Remoto 24 Fig 311 Geometria de aquisição de fotografias aéreas As fotografias aéreas verticais devem ser obtidas de tal modo que o ângulo entre o eixo óptico da câmara e a perpendicular ao datum da superfície imageada nunca exceda a 3o Essa condição é muitas vezes difícil de ser alcançada em condições normais de aerolevantamento devido à problemas de turbulência atmosférica Para minimizar tais efeitos sobre a qualidade geométrica das fotografias aéreas verticais são utilizados instrumentos a bordo da aeronave seja para compensar a movimentação da plataforma seja para medir os desvios da posição de modo a corrigir eventuais distorções nas fotografias obtidas As fotografias oblíquas são obtidas quando o ângulo entre o eixo óptico da câmera e a perpendicular ao datum é superior a 10o As fotografias oblíquas podem ser classificadas ainda em oblíquas altas oblíquas propriamente ditas e oblíquas baixas As fotografias oblíquas altas são aquelas que contêm o horizonte aparente da cena o qual pode ser utilizado para gerar uma grade em perspectiva que permite correções de escala As fotografias obliqüas baixas não contém o horizonte aparente tornando mais difícil a determinação das diferenças de escala ao longo da cena As fotografias aéreas verticais geralmente são obtidas em seqüências ao longo de uma linha de vôo de tal modo que apresentem sobreposição da ordem de 60 Este recobrimento ao longo da linha de vôo permite a aquisição dos chamados pares estereoscópicos os quais são usados para que o terreno possa ser visualizado em três dimensões De modo que toda a área imageada seja recoberta em sucessivas linhas de vôo convencionouse também um recobrimento lateral de 30 entre linhas de vôos adjacentes Outra propriedade importante das fotografias aéreas é a sua escala A escala da fotografia aérea determina o seu valor para diferentes aplicações Fotografias aéreas de escalas pequenas menores do que 150000 proporcionam visão sinóptica da superfície e a possibilidade de observar extensas aéreas Entretanto o nível de resolução da fotografia nessa escala é bem pequeno e ela permite apenas mapeamentos de caráter regional Uma fotografia aérea com escala grande 12000 permite a aquisição de informações localizadas em pequenas aéreas com alta resolução espacial Podem ser mapeados objetos de dimensões inferiores a 1 metro e são muito úteis em estudos urbanos no estudo de hábitos alimentares de animais entre outros Introdução ao Sensoriamento Remoto 25 A escala da fotografia E depende de duas variáveis distância focal da câmara f e altura de vôo Av A distância focal da câmara é a distância entre o centro da lente e o filme A altura de vôo é a altura da lente em relação ao nível do mar A menos a altura da superfície imageada em relação ao nível do mara Essas relações podem ser observadas na Figura 312 Fig 312 Grandezas relacionadas à escala fotográfica adaptado de Curran 1985 Com base na Figura 312 podese verificar que a escala da fotografia aérea pode ser obtida a partir da relação expressa pela equação 31 f f E 31 Aa Av Quando a altura de vôo é desconhecida ou quando a altura da superfície em relação ao nível do mar é desconhecida podese estimar a escala da fotografia aérea estabelecendo uma relação entre o tamanho dos objetos na superfície e sua dimensão nas fotografias aéreas Medese a distância entre dois pontos no terreno DT e a mesma distância entre os pontos na fotografia aérea DF A escala será dada pela razão conforme equação 32 DF E 32 DT Introdução ao Sensoriamento Remoto 26 341 Visão estereoscópica Uma das grandes vantagens da fotografia aérea é a possibilidade de visão tridimensional ou estereoscópica Esta visão é possível devido ao chamado efeito de paralaxe Este efeito consiste na possibilidade de observação simultânea de um mesmo objeto segundo dois ângulos de observação distintos Este efeito é utilizado pelo cérebro humano para proporcionar a percepção de profundidade no caso específico da visão humana Este efeito é aproveitado ao se obterem fotografias aéreas para que possa reproduzir a percepção humana de visão em profundidade Para que as fotografias aéreas possam ser observadas estereoscopicamente são necessários equipamentos conhecidos pelo nome de estereoscópios Existem dois tipos básicos de estereoscópios os estereoscópios de bolso que permitem a visualização de pequenas regiões da foto e os esteroscópios de espelho que permitem a visão de todo o modelo estereoscópio reproduzido por um conjunto de fotos A propriedade de paralaxe do modelo estereoscópico permite a aquisição de medidas de altura a partir de fotografias aéreas A Figura 313 ilustra o procedimento utilizado para a obtenção de medidas de altura a partir de pares estereoscópicos Distância entre os topos da árvore Distância entre as bases da árvore Distância entre os centros da foto Fig 313 Esquema de aquisição de medidas de altura de objetos em fotografias aéreas verticais A altura do objeto de interesse pode ser obtida a partir da equação 33 p x Av H 33 Pa p onde h altura do objeto p diferenças em distância entre o topo e a base do objeto nas duas fotografias em mm Pa distância entre o ponto central das fotos Av altura de voo Introdução ao Sensoriamento Remoto 27 35 Interpretação de fotografias aéreas A interpretação de fotografias aéreas pode ser formalmente definida como o ato de examinar imagens fotográficas com o propósito de identificar objetos e exercer julgamento sobre o seu significado Durante o processo de interpretação os intérpretes realizam tarefas tais como detecção reconhecimento e identificação análise dedução classificação idealização e determinação da exatidão O processo de detecção envolve o ato de identificar objetos que são imediatamente visíveis tais como confluências de rios estradas ou indiretamente visíveis tais como áreas de solos encharcados O processo de reconhecimento envolve dar nomes aos objetos e deduzir o seu significado e está relacionado aos chamados elementos da fotointerpretação que são a forma a textura o tamanho a cor a tonalidade a sombra e o contexto Cada um destes elementos tem sua correspondência com os domínios das técnicas de sensoriamento remoto que são o domínio espacial o espectral e o temporal O intérprete de fotografias aéreas precisa primeiramente saber com exatidão a sensibilidade espectral do filme utilizado na geração das fotografias com as quais elaborará o serviço de interpretação uma vez que a cor a tonalidade e as sombras assumidas pelos objetos nas fotografias serão função do processo de interação da REM com esses mesmos objetos assim como já discutido anteriormente A escala das fotografias exerce influência direta na definição das formas das texturas dos tamanhos e no contexto assumidos pelos objetos Sob ponto de vista espectral os filmes fotográficos atuam em regiões relativamente extensas do espectro eletromagnético o que lhes confere resoluções espectrais grosseiras quando comparados com os sensores eletroópticos que serão apresentados a seguir 36 Sistemas sensores imageadores eletroópticos 361 Sistemas imageadores A principal diferença entre os sistemas fotográficos e os sistemas imageadores eletroópticos reside no fato de que estes podem produzir um sinal elétrico o qual pode ser transmitido a uma estação remota Enquanto os sensores fotográficos possui um detetor foto químico o filme os sensores imageadores eletroópticos possuem detetores capazes de transformar a radiação eletromagnética em um sinal elétrico Se for abstraída a diferença entre os tipos de detetores os sistemas imageadores eletroópticos possuem basicamente os mesmos componentes de um sistema fotográfico ou seja um sistema coletor de energia composto por lentes e espelhos cuja principal função é concentrar a radiação proveniente do objeto sobre um detetor Para o caso dos sistemas fotográficos a resolução espectral é dada pela sensibilidade espectral do filme fotográfico utilizado enquanto que a resolução espacial é dependente do tamanho dos sais de prata Nos sistemas eletroópticos a resolução espectral é dependente da sensibilidade espectral de detetores geralmente constituídos por ligas metálicas que têm a propriedade de traduzirem determinados valores de radiância em pulsos elétricos enquanto que a resolução espacial é função do tamanho do elemento de resolução da cena corriqueiramente denominado de pixel Picture Element Para melhor entender do que estamos tratando observemos a Figura 314 que ilustra a configuração básica de um sistema imageador Como pode ser observado nessa figura a radiação proveniente de um pixel da superfície terrestre passa através de um telescópio um conjunto de lentes que permite focalizar a radiação proveniente de um pixel do terreno sobre um espelho giratório o qual reflete a radiação para um sistema ótico a partir do qual ela é direcionada para uma grade dicrômica com a propriedade de Introdução ao Sensoriamento Remoto 28 dividir a radiação em dois grandes conjuntos no tocante ao comprimento de onda radiação solar refletida radiação solar emitida A radiação solar refletida é dividida em seus diferentes comprimentos de onda através de um prisma e detectada e amplificada pelos detetores e pré amplificadores A radiação termal por sua vez e direcionada aos detetores e préamplificadores Toda a informação passa por um sistema de controle eletrônico que a direciona para os diferentes sistemas de registro Fig 314 Configuração básica de um sistema imageador Como pode ser observado na Figura 314 o telescópio controla o campo instantâneo de visada do sensor instantaneous field of view IFOV o qual representa a porção do terreno projetada sobre o detetor a cada instante O IFOV é uma variável muito importante do sistema sensor visto que ele interfere na resolução espacial das imagens geradas Para uma dada altura de vôo o IFOV está relacionado diretamente com o tamanho do pixel e inversamente com a resolução espacial Quanto maior o IFOV maior o tamanho do pixel e menor a resolução espacial O IFOV pode ser utilizado para calcular a resolução espacial da imagem a partir da equação 34 D Hβ 34 Onde D diâmentro do elemento de amostragem no terreno em metros H altura da plataforma β IFOV em radianos O IFOV é uma medida angular e é determinado através da equação 35 Introdução ao Sensoriamento Remoto 29 IFOV Df radianos 35 Onde D dimensão do detetor f distância focal Podese também determinar a dimensão linear do IFOV a partir da equação 36 IFOV HDf metros 36 Onde D dimensão do detetor H altura da plataforma F distância focal A Figura 315 ilustra a relação entre IFOV altura da plataforma e distância focal Fig 315 Ilustração do conceito de IFOV O espelho giratório é acionado por um pequeno motor e é mantido a um ângulo de 45o de tal forma que à medida em que gira ele varre uma faixa do terreno perpendicularmente ao deslocamento da plataforma O comprimento da linha de varredura determina o Campo de Visada do Sensor Field of View Para um dado FOV o comprimento da linha de varredura determina a largura da faixa imageada pelo sensor e depende da altura da plataforma O tempo de varredura ou seja a velocidade do espelho giratório deve ser ajustada à velocidade de deslocamento da plataforma A radiação refletida geralmente é detectada por detetores de silício A radiação termal é geralmente detetada por detetores de antimoneto de índio sensível à radiação entre 3 e 5 µm ou de telureto de mercúrio e cádimio sensível á radiação de 8 a 14 µm Todos os detetores Introdução ao Sensoriamento Remoto 30 termais precisam ser resfriados á temperaturas de 243o C o que é feito a partir do uso de hélio ou nitrogênio líquido O tipo e o sistema de registro de um sistema imageador depende da tecnologia utilizada A maioria dos sistemas aerotransportados possuem um tubo de raios catódicos que permite que o operador observe os dados na medida em que são adquiridos Alguns sistemas possuem também subsistemas de registro analógico dos dados em filmes Outros sistemas registram os sinais eletricos diretamente em fitas magnéticas outros sistemas os mais modernos permitem a conversão dos sinais analógicos em digitais antes de serem armazenados ou trasmitidos telemetricamente Conforme mencionado anteriormente a resolução espacial destes sistemas eletroópticos é dependente do tamanho do pixel A Figura 316 apresenta uma cena imageada com quatro diferentes resoluções espaciais À medida que o tamanho do pixel aumenta a imagem resultante apresentase menos definida o que implica em concluirmos que quanto maior o tamanho do pixel menor a resolução espacial do sensor 1m 2m 3m 5m Fig 316 Simulação de dados de sensoriamento remoto orbital resoluções 1m 2m 3m e 5m Fonte Jensen 1995 p9 As alterações da escala destas imagens também difere um pouco do procedimento adotado com os filmes fotográficos Aqui imaginando uma imagem gerada a partir de um sistema eletroóptico e visualizada em uma tela de um computador na escala de 1100000 Para alterarmos essa escala para 150000 por exemplo ocorrerá um processo denominado de re amostragem no qual alguns pixels de cada linha gerada no imageamento serão retirados da imagem e seus vizinhos passarão a ocuparem seus lugares dando a impressão de que os objetos Introdução ao Sensoriamento Remoto 31 contidos na cena aumentam de tamanho mas em realidade o que está de fato acontecendo é a perda de informação 362 Tipos de imageadores Os sistemas imageadores podem ser grosseiramente classificados em três tipos imageadores de quadro matriz linear de detetores e varredores mecânicos A Figura 317 ilustra as principais diferenças de configuração desses diferentes tipos Fig 317 Tipos de Sistemas Imageadores Adaptado de Elachi 1987 Os imageadores de quadro são os mais antigos e se desenvolveram a partir dos sistemas de televisão Tais sensores possuem um sistema óptico grande angular que focaliza toda a energia proveniente da cena sobre um tubo fotosensível Ao contrário do esquema de imageamento da Figura 316 em que a imagem é vista e construída ponto a ponto no sistema de quadro a imagem é formada instantaneamente sobre o tubo fotosensível Essa imagem é então varrida por um feixe de eletróns e é convertida em sinal As superfícies fotosensíveis que formavam o tubo desses sistemas eram limitadas a radiação visível o que reduzia problemas de difração da luz e permitia um longo tempo de exposição o que garantia melhor definição do sinal recebido Um exemplo dos sistemas de quadro são as câmaras RBV Return Beam Vidicon que operavam a bordo dos três primeiros satélites da série Landsat Mais informações sobre a configuração do sistema podem ser obtidas em Slater 1980 Esse tipo de sistema sensor foi substituído amplamente pelos sistemas de varredura mecânica e pelos sistemas baseados em matrizes de detetores As principais limitações tecnológicas que o tornaram superado foram 1 sensibilidade espectral limitada 2 precisão radiométrica limitada Introdução ao Sensoriamento Remoto 32 Os sistemas de varredura mecânica compõemse basicamente de um espelho giratório que varre a superfície imageada e focaliza a energia proveniente do solo sobre um detetor pontual Assim sendo a imagem é construída ponto a ponto a cada variação instantânea da posição do espelho Os imageadores baseados em matrizes lineares de detetores utilizam sistemas ópticos de grande campo de visada o que permite que toda a faixa perpendicular ao deslocamento da plataforma seja imageada instantaneamente A medida que a plataforma se move ao longo da órbita linhas sucessivas são imageadas pela matriz linear e amostradas por um multiplexador responsável pela transmissão dos sinais Esse sistema tem diversas vantagens dentre as quais a possibilidade de um maior tempo de integração do sinal em cada detetor o que aumenta a razão sinalruído nível de ruído do detetor baixo em relação ao sinal registrado Outra característica interessante é a ausência de partes móveis tais como o espelho giratório sujeitas a desgaste mecânico ao longo do tempo de operação do sensor O sistema apresenta também algumas desvantagens dentre as quais o grande número de detetores envolvidos e necessidade de intercalibração entre eles e aumento da necessidade de processamentos para correção radiométrica dos dados A Tabela 32 permite comparar os três sistemas de imageamento eletroóptico suas vantagens e desvantagens Tabela 32 Comparação entre os diferentes sistemas de imageamento Fonte Elachi 1987 Tipo Vantagem Desvantagem Sistema de Quadro varredura eletrônica Baixa resolução espectral Dados em formato digital Boa fidelidade geométrica Limitação da área da superfície fotosensível Varredura Mecânica Detetores simples Sistema ótico de pequeno campo de visada Ampla capacidade de cobertura perpendicular ao deslocamento da aeronave Possibilidade de alta resolução espectral Pequeno tempo de integração do sinal Partes móveis Mais susceptível a distorções geométricas Matriz Linear de Detetores pushbroom Grande tempo de integração para cada detetor Grande fidelidade geométrica perpendicularmente ao deslocamento da plataforma Sistema ótico com amplo campo de visada mais pesado mais sujeito a distorções óticas 363Detetores Um dos elementos críticos dos sistemas imageadores são os detetores Há dois tipos básicos de detetores os detetores térmicos e os detetores quânticos Nos detetores térmicos a energia radiante é absorvida e convertida em energia calorífera O aquecimento sofrido pelo detetor é proporcional a energia absorvida e provoca mudança na resistência no caso de piranômetros e bolômetros ou de voltagem no caso de um termopar Os detetores quânticos respondem diretamente ao número de fótons incidentes embora também seja sensível à energia do fóton Existem diferentes tipos de detetores quânticos tais com os detetores fotovoltáicos fotocondutores e fotoemissores Um detetor fotovoltáico consiste de uma célula em que duas substâncias distintas encontramse em contato A luz incidente sobre a célula gera uma diferença Introdução ao Sensoriamento Remoto 33 de potencial elétrico entre as duas substâncias e como conseqüência gera uma corrente elétrica proporcional à diferença de potencial Os fotocondutores se baseiam na descoberta de que a condutividade de certos materiais aumenta com a incidência de radiação eletromagnética Como a condutividade aumenta proporcionalmente à energia incidente a corrente elétrica produzida pelo fotocondutor é proporcional a energida detectada Os fotoemissores também chamados de detetores fotoelétricos consistem de um tubo de vácuo contendo um eletrodo carregado positivamente anodo e um eletrodo carregado negativamente catodo Quando a luz incide sobre catodo os fótons desalojam os eletrons da superfície Esses eletrons são conduzidos até o anodo gerando um corrente A Figura 318 mostra uma relação de alguns detetores e suas faixas de atuação dentro do espectro eletromagnético UV Visível Infraverme lho proximo Infravermelho médio Infravermelho termal Infravermelho distante Olho humano Filme pancromático Filme infravermelho colorido RBV Tubo fotomultiplicador Fotodiodo de silício Telureto de Mercúriocadimio Antimoneto de índio 03 04 06 08 10 20 40 60 80 100 15 20 30 Comprimento de onda µµµµm Fig 318 Detetores e suas respectivas faixas de sensibilidade Adaptado de Slater 1980 37 Sistemas sensores RADAR 371Conceitos básicos A palavra RADAR é um acrônimo da expressão Radio Detection ad Ranging que poderia ser traduzido grosseiramente por detecção de ondas de radio e de distâncias Um RADAR executa três funções básicas 1 ele transmite um pulso de microondas em direção a um alvo 2 ele recebe a porção refletida do pulso transmitido após este haver interagido com o alvo a porção refletida recebe o nome de energia retroespalhada 3 ele registra a potência a variação temporal e o tempo de retorno do pulso retroespalhado A configuração básica de um sistema RADAR pode ser observada na Figura 319 Introdução ao Sensoriamento Remoto 34 Fig 319 Configuração básica de um sistema RADAR O sinal retroespalhado pelo alvo é influenciado pelas características do pulso incidente comprimento de onda polarização pela geometria do sistema radar em relação à superfície terrestre a geometria local ou seja a geometria do pulso em relação ao alvo O sistema RADAR transmite um pulso de microondas numa direção perpendicular ao deslocamento da plataforma A direção de transmissão do pulso é conhecida como range ou alcance O sensor é capaz de determinar as distâncias relativas dos objetos da superfície ao longo dessa direção a partir da análise do tempo que a pulso emitido leva para viajar até o objeto e retornar ao sensor O sinal proveniente de um objeto localizado mais próximo ao sensor levará menos tempo para retornar do que um objeto localizado mais distante A imagem de RADAR é construída na medida em que a plataforma avança e sucessivos pulsos são transmitidos e recebidos pela antena como pode ser observado na Figura 320 Fig 320 Processo de imageamento através de um sistema RADAR Como anteriormente mencionado os sistemas RADAR medem a distância e a potência recebida de pulsos emitidos por um antena Esses pulsos de energia transmitidos pelas Introdução ao Sensoriamento Remoto 35 antenas de radar se caracterizam por ondas eletromagnéticas com comprimentos que variam de 1m a 1mm ou freqüências entre 03 GHz e 300 GHz Do ponto de vista das atividades de sensoriamento remoto o fato dos sistemas de RADAR operarem nesses comprimentos de onda traz algumas vantagens As microondas são passíveis de penetrarem núvens chuva fumaça e neblina Em comprimentos de ondas menores 6 cm chuvas e núvens espessas podem afetar o sinal de radar As microondas são sensíveis a propriedades distintas daquelas que afetam a radiação na região do visível e infravermelho As imagens de radar apresentam informações que são qualitativamente e quantitativamente diferentes daquelas registradas em imagens ópticas sendo portanto complementares àquelas Ao contrário dos sistemas ópticos os sensores de microondas operam em bandas específicas para as quais foram associadas letras As bandas em uso atualmente encontramse resumidas na Tabela 33 Tabela 33 Bandas de operação de sistemas RADAR e suas aplicações FonteRADARSAT 1997 Banda Comprimento de onda cm Freqüência GHz Principal Aplicação X 2438 80125 Reconhecimento militar reconhecimeno de terreno C 3875 4080 Monitoramento de gelo e aplicações oceanográficas S 75150 2040 Reconhecimento de terreno L 150300 1020 Mapeamento de cobertura vegetal P 7501330 02250400 Mapeamento de cobertura vegetal 372 Geometria de imageamento RADAR A geometria de imageamento ou geometria entre o sensor SAR e a superfície pode ser descrita pelos seguintes parâmetros ilustrados na Figura 321 Fig 321 Geometria de imageamento RADAR Adaptado de RADARSAT 1997 Introdução ao Sensoriamento Remoto 36 Altura representa a distância vertical entre a plataforma e um ponto da superfície terrestre imediatamente abaixo dela A altura nominal dos satélites de sensoriamento remoto se refere à altura acima do elipsóide de referência que representa o nível médio do mar Nadir representa o ponto imediatamente abaixo da plataforma Azimute representa a direção no terreno paralela ao movimento do satélite Vetores de rangeou alcance representam vetores que conectam o radar aos elementos do terreno correspondentes a cada medida de distância a cada instante em que o pulso de microondas é transmitido Distância inclinada slant range representa a distância do sensor ao alvo ao longo da direção de range ou distância perpendicular ao deslocamento da plataforma também conhecida por distância percebida pelo RADAR Distância no terreno ground range representa a distância inclinada projetada sobre a superfície terrestre também conhecida por distância real ou distância geográfica Near range Alcance Próximo região mais próxima ao ponto nadir Far range Alcance Distante região mais distante do ponto nadir Largura da Faixa swath width representa a largura da faixa imageada na direção perpendicular ao deslocamento da plataforma Comprimento da Faixa swath length representa a distância imageada na direção azimutal Ângulo de iluminação representa o ângulo entre o vetor normal a Terra e o vetor de range medido na posição do RADAR Este ângulo determina a distribuição da iluminação do radar através da faixa imageada A medida que a altura do radar aumenta o ângulo de iluminação correspondente a largura da faixa range diminui Ângulo de incidência representa o ângulo entre os vetores de range e vertical local 373 Tipos de sistemas RADAR Existem basicamente dois tipos de sistemas RADAR O mais antigo e já fora de funcionamento é o Radar de Abertura Real Os radares de abertura real são configurados de tal modo que a resolução espacial na direção azimutal seja proporcional à distância entre o sensor e a superfície A largura do feixe da antena b determina a resolução espacial na direção azimutal Assim sendo o tamanho do pixel varia em tamanho do near range para o far range Nos sistemas de abertura real a resolução diminui com a diminuição da distância do pulso à antena A Figura 322 ilustra o efeito da distância em range sobre a resolução azimutal nos sistemas de abertura real Introdução ao Sensoriamento Remoto 37 ββββ GD1 GD2 Ângulo de depressão da antena Fig 322 Dependência da resolução espacial em azimute da largura do feixe A largura do feixe produzido pela antena β determina a resolução espacial na direção Azimutal Sra Esta resolução é calculada a partir da equação 37 Sra GD β37 Onde GD Distância em range β Ângulo da antena O grande problema dos radares de abertura real é o de que o ângulo β dependia do tamanho físico da antena conforme pode ser deduzido pela equação 38 λ β 38 ΑL onde β ângulo de abertura da antena λ comprimento de onda da radiação transmitida pela antena AL comprimento da antena Como se pode deduzir da equação 38 para haver uma redução do ângulo de abertura da antena é necessário aumentar o comprimento da antena o que é fisicamente impossível a partir de uma certa dimensão A resolução espacial em range depende da duração do pulso transmitido Esta resolução representa a metade da duração do pulso Se dois campos estão distanciados entre si na direção de range por uma distância menor que a metade da duração do pulso o primeiro pulso transmitido pela antena terá alcançado o campo mais distante e estará retornando ao mesmo tempo que o pulso emitido pela antena e refletido pelo alvo estará retornando também Com isso os dois sinais se misturarão e não será possível resolver os dois campos como alvos distintos A resolução espacial na direção de range é dada por SRr conforme equação 39 Introdução ao Sensoriamento Remoto 38 c t SRr 39 2 cos γ onde γ é o ângulo de depressão da antena t é o comprimento do pulso c velocidade do pulso de microondas que é a velocidade da luz Com o desenvolvimento tecnológico o sistema RAR Radar de Abertura Real foi substituído pêlos modernos SAR Sinthetic Aperture Radar SAR ou Radares de Abertura Sintética O SAR representa um modo engenhoso de se superar o problema do tamanho físico da antena a partir da síntese de uma antena virtual a partir do registro acumulado dos sinais de retorno de cada objeto da antena durante o período em que ela se desloca sobre uma dada região do terreno Uma vez que o pulso tenha passado sobre um ponto do terreno toda a informação de fase sobre aquele ponto é armazenada em uma matriz bidimensional range e azimute Todas as histórias de fase de todos os pontos da imagem são combinadas numa série temporal que forma o dado sintético Através de um processamento complexo esta assinatura de fase de cada ponto é tranformada em informação de azimute e range Mais informações sobre o processamento de sinal de um radar de abertura sintética pode ser encontrado em Oliver e Quegan 1998 Atualmente os sistemas de RADAR possuem a chamada antena de abertura sintética o que permite que estes sistemas possam ser colocados em plataformas orbitais produzindo resoluções espaciais da ordem de poucos metros 374 Interações entre a radiação de microondas e a superfície terrestre Em geral quanto mais organizado é o processo de transformação em oposição a aleatório mais coerente é o espectro de radiação gerado coerente no sentido de pequena faixa de variação de freqüências Assim sendo o espectro de emissão do Sol resultante de reações nucleares é muito mais complexo do que o espectro de emissão de uma antena que produz um pulso de microondas Elachi 1987 A energia eletromagnética neste espectro de freqüência é usualmente gerada por correntes alternadas impostas sobre materiais metálicos antenas por exemplo A corrente alternada gera um campo elétrico e um campo magnético que se propaga à velocidade da luz Elachi 1987 Assim como em outras regiões do espectro eletromagnético a radiação de microondas apresenta uma série de características específicas de interação com a matéria que a diferencia de outras regiões do espectro Dentre as características da radiação de microondas destacamse Sensibilidade à estrutura macroscópica dos materiais Sensibilidade a propriedades elétricas dos materiais As interações entre a radiação de microondas e os objetos da superfície terrestre são afetadas por dois grandes conjuntos de variáveis Introdução ao Sensoriamento Remoto 39 Variáveis ligadas ao sistema radar tais como comprimento de onda ângulo de incidência do pulso de microondas direção de imageamento polarização resolução Variáveis ligadas ao objeto imageado tais como rugosidade dimensão umidade etc 375 Variáveis do sistema Comprimento de Onda O comprimento de onda é uma variável importante por quê controla o coeficiente de retroespalhamento e a profundidade de penetração da radiação nos objetos da superfície A constante dielétrica dos objetos varia com a freqüência da radiação incidente a qual afeta o coeficiente de retroespalhamento Para uma superfície com rugosidade constante há um aumento do espalhamento segundo à quarta potência da frequência Elachi 1987 A profundidade de penetração da radiação de microondas também é afetada pela frequência Para a maioria dos materiais da superfície terrestre a profundidade de penetração varia linearmente com o comprimento de onda Assim sendo a profundidade de penetração da radiação na faixa de 20 cm é 10 vezes maior do que de radiação na faixa de 2 cm Assim sendo a profundidade de penetração da banda L é 10 vezes maior do que a da banda X Isto explica também por quê a banda L é menos afetada pela atmosfera do que a banda X Ângulo de Incidência O ângulo de incidência pode ser definido como o ângulo formado entre o vetor de range e a direção vertical local Como a faixa imageada pelo radar recobre uma ampla região do terreno suas imagens estão sujeitas a diferenças de retroespalhamento em função da distância e portanto do ângulo entre a plataforma de aquisição e o objeto imageado A região mais próxima à antena nearrange tende a produzir valores mais elevados de retro espalhamento do que a região distante da antena farrange em decorrência das modificações no ângulo de incidência local Direção de Imageamento A direção de imageamento se refere á orientação geométrica do feixe transmitido em relação a feições lineares do terreno como culturas agrícolas acidentes topográficos e lineamentos geológicos Quando a direção de imageamento é perpendicular à feição linear há um aumento da interação entre ela e a frente de onda Com isto há um aumento no coeficiente de retroespalhamento Ao contrário quando a feição linear é paralela á feição do terreno há menor interação entre ela e a radiação incidente havendo consequentemente uma redução no coeficiente de retroespalhamento Polarização Para um sistema radar a polarização se refere á orientação do campo elétrico em relação a um certo plano de referência A maioria das antenas de radar são construídas de modo a transmitirem e receberem ondas polarizadas linearmente seja horizontalmente ou seja verticalmente Uma onda é transmitida verticalmente polarizada quando a antena é orientada de modo que o campo elétrico ocupe o plano definido pelo vetor perpendicular à superfície da Terra geóide e o vetor de range A onda é transmitida horizontalmente polarizada quando é orientada perpendicularmente àquele plano Quando a onda é transmitida ela pode ser despolarizada ao interagir com a superfície ou pode manter o seu estado de polarização O grau de despolarização da onda Introdução ao Sensoriamento Remoto 40 depende das características dos objetos da superfície e pode ser utilizado para sua discriminação Para aproveitar esta propriedade dos alvos as antenas de radar são também construídas de modo a receber a radiação de retorno segundo um dado plano de polarização Assim sendo os sistemas que emitem e recebem onda polarizada no plano vertical são conhecidos como sistemas de polarização VV este é o caso do ERS1 e 2 os sistemas que emitem e recebem onda polarizada no plano horizontal são conhecidos como sistemas de polarização HH este é o caso do RADARSAT e do JERS1 Alguns sistemas experimentais também podem operar com polarização cruzada ou seja transmitem segundo uma polarização e recebem segundo a polarização oposta este é o caso do SAR do Convair 580 do CCRS e do AirSAR da NASA JPL Resolução Espacial A resolução espacial é uma das variáveis mais importantes para a determinação do conteúdo de informação das imagens de radar A resolução é definida como a habilidade do sensor identificar dois alvos próximos como pontos distintos No caso dos sistemas de radar existem dois tipos de resolução espacial a resolução na direção azimutal e a resolução na direção de range A resolução azimutal é definida pelo processamento de sinal tal que nos sistemas de abertura sintética SAR ela se torna independente do tamanho da antena A resolução na direção de range é determinada pelo largura do pulso transmitido e por sua duração 376 Variáveis ligadas ao objeto imageado Forma Geométrica A forma geométrica dos objetos pode alterar a quantidade de energia retro espalhada Dentre as variáveis que descrevem a forma dos objetos destacamse a altura porcentagem de recobrimento do substrato etc No caso de culturas por exemplo a altura das culturas interfere na profundidade de penetração e portanto na proporção de retroespalhamento associado a ela e ao seu substrato Há alguns mecanismos específicos de espalhamento decorrentes da forma dos alvos cujo sinal de retorno é desproporcional a seu tamanho Alvos pontuais coerentes permitem que uma grande fração da radiação seja retroespalhada sem que o sinal seja afetado por interferência destrutiva Sinais coerentes de retorno são originários por processos de espalhamento simples tais como os de reflexão especular Quando a geometria da superfície é adequada processos de espalhamento múltiplo coerente pode produzir sinais de retorno muito intensos também Alvos deste tipo são normalmente classificados como refletores de canto corner reflector que podem ter a forma de um triedro ou de um diedro O retorno de um diedro é apenas intenso quando a superfícies refletoras são perpendiculares à direção de iluminação As reflexões mais intensas são causadas por refletores em forma de triedro Os principais exemplos de refletores de canto são as construções humanas tais como pontes torres postes de luz junto a superícies líquidas etc Rugosidade da superfície A rugosidade é sempre definida em termos da variação estatística da altura e largura das irregularidades da superfície Esta rugosidade pode ser expressa em termos de desvio médio da variação da altura e largura das irregularidades Constante Dielétrica A constante dielétrica é uma medida das propriedades dielétricas dos materiais incluindo o grau com que absorve reflete e transmite microondas em resposta à radiação Introdução ao Sensoriamento Remoto 41 incidente O índice de refração dos materiais varia com a raiz quadrada da magnitude da constante dielétrica Assim sendo materiais com elevada constante dielétrica interagem ativamente com as microondas aumentando o coeficiente de retroespalhamento A intensidade do sinal de retorno é portanto dependente da constante dielétrica dos materiais da distribuição de elementos espalhadores e do número de partículas espalhadoras Quando esses elementos se mantém constante os materiais com elevadas constantes dielétricas apresentam maior retro espalhamento e portanto apresentam uma aparência mais clara nas imagens De modo geral na natureza a água a vegetação verde os metais os sais possuem elevada constante dielétrica enquanto a areia vegetação morta solos secos possuem baixa constante dielétrica 4 Comportamento Espectral de Alvos O termo Comportamento espectral de alvos tem sido atribuído pelos profissionais que atuam na aplicação do SR no estudo dos recursos naturais como ao estudo da Reflectância espectral destes recursos quer sejam vegetação solos minerais e rochas água etc Em termos mais abrangentes estudar como um objeto se comporta espectralmente deveria contemplar os três fenômenos já mencionados que ocorrem após a indicência da REM sobre um dados objeto reflexão transmissão e absorção Assim o comportamento espectral de um alvo só é plenamente compreendido quando são estudadas suas propriedades de refletir transmitir e absorver a REM Contudo serão enfatizadas aqui as propriedades de reflexão dos alvos recursos naturais uma vez que a maioria dos sensores atualmente disponíveis para o estudo dos recursos naturais utilizam a REM refletida por eles A caracterização de como e de quanto um objeto reflete de REM pode ser feita em diversos níveis e formas Nos primeiros estão incluídos os chamados níveis de aquisição de dados os quais podem ser de laboratório campo aéreo e orbital Em cada um destes níveis podem ser adotadas variadas formas as quais incluem as chamadas geometrias de iluminação e de visada A primeira referese ao posicionamento espacial da fonte de REM em relação ao objeto enquanto que a segunda referese ao posicionamento espacial do sensor Os níveis e as formas condicionam as caracterizações tornando seus resultados específicos para as situações nas quais foram concebidos Este fato torna imprescindível que em qualquer caracterização da Reflectância espectral de um objeto sejam bem descritas as condições de iluminação e visada adotadas tanto no que se refere aos domínios espacial espectral temporal e ainda das suas geometrias Os aspectos que serão apresentados a seguir referemse às características básicas dos principais recursos naturais em refletir a REM sobre eles incidente A Figura 41 ilustra um gráfico contendo as curvas de Reflectância de alguns recursos naturais e de alguns artefatos feitos pelo Homem Como pode ser observado nesta Figura 41 na região do visível 04 a 07 µm a maioria das curvas dos alvos apresentados encontramse muito próximas entre si em contraste com um maior distanciamento entre elas na região espectral infravermelho próximo de 07 a 09 µm Isto indica que na região do visível os alvos apresentamse parecidos enquanto que na região do infravermelho eles podem ser mais facilmente individualizados Nos pontos de intersecção entre as curvas os quais ocorrem com alguma frequência em pontos específicos do espectro dizse que os alvos apresentam a mesma Reflectância ou seja eles assumem uma mesma aparência quando observados mediante alguma técnica de SR Introdução ao Sensoriamento Remoto 42 Fig 41 Gráfico contendo as curvas de Reflectância para alguns recursos naturais Estas curvas de Reflectância são curvas médias que somente ilustram as formas típicas dos alvos apresentados refletirem a REM sobre eles incidente Servem então somente de base para formar uma idéia da reflexão destes alvos não sendo possível sua generalização uma vez que também não foram fornecidas informações adicionais sobre as condições geométricas e dos próprios alvos adotadas quando foram geradas Esta forma típica é geralmente referenciada com o termo Assinatura Espectral Através da análise de curvas como estas apresentadas na Figura 41 pode ser prevista a aparência de alvos em produtos de SR tais como imagens orbitais eou fotografias aéreas Esta aparência é expressa pela tonalidade clara ou escura assumida pelos alvos e dependendo do tipo de produto ela ainda pode ser expressa pela cor e pela textura O conhecimento sobre o comportamento espectral de alvos é portanto fundamental para a extração de informações a partir de produtos de SR quer sejam fotografias ou imagens 41 Comportamento espectral da água Para estudar qualquer fenômeno o primeiro passo e o mais importante é definir com clareza o que se está estudando Uma estratégia geralmente adotada para se definir um objeto de estudo é identificar as diferenças e as semelhanças que este objeto de estudo tem em relação a outros objetos Se as semelhanças forem maiores que as diferenças talvez este objeto não seja merecedor de uma abordagem especial Se as diferenças forem relevantes então este objeto merecerá um tratamento diferenciado Por isso neste tópico estaremos tentando identificar as diferenças entre a Água e os demais alvos estudados no âmbito do sensoriamento remoto da superfície terrestre Estes alvos principalmente estudados quando da aplicação das técnicas de sensoriamento remoto no estudo dos recursos naturais são Solos Rochas Culturas Agrícolas Vegetação Água Uma coisa intrigante é a distinção entre culturas Introdução ao Sensoriamento Remoto 43 agrícolas e vegetação por que tanto um quanto outro têm como matéria de estudo as plantas que revestem a superfície terrestre sejam elas plantas cultivadas pelo homem sejam elas nativas A explicação para essa distinção reside no fato de que ao impor um padrão de organização às culturas agrícolas que se adaptam a um calendário agrícola a práticas culturais especializadas etc o homem altera o seu comportamento espectral Portanto já podem ser identificados pelo menos dois elementos de distinção entre o alvo Água e o Alvo Culturas Agrícolas O Alvo Culturas Agrícolas é composto por um arranjo complexo de plantas práticas agrícolas solos subjacentes etc As plantas tem um ciclo de vida que varia de uma espécie para outra e que se manifesta através de características morfológicas distintas ao longo do ano Diferentes plantas se adaptam a diferentes solos formando um complexo soloplanta com características próprias ao longo do ano Outra característica que distingue o alvo Água dos outros alvos estudados é o seu estado físico Os solos as plantas as rochas são todos alvos sólidos Á água é um alvo líquido O fato de a água ser um alvo líquido traz inúmeras conseqüências à interação energiamatéria Fixandose nesses aspectos a título de exercício é interessante listar outras diferenças entre a água e os demais alvos de interesse para o sensoriamento remoto da superfície terrestre Uma característica dos corpos dágua que o tornam particularmente distintos dos demais alvos estudados referese à sua reflectância média Observando a Figura 42 na qual encontrase destacada uma porção de uma imagem orbital do sensor TMLandsat 5 referente a uma área da Usina Hidroelétrica de Tucuruí concluise que a porcentagem de energia refletida pela água é muitas vezes menor que a porcentagem de energia refletida pelos demais alvos da superfície terrestre pelo menos nas três regiões do espectro consideradas na elaboração desta composição colorida vermelho infravermelho próximo e infravermelho médio Isso pode ser concluído devido à tonalidade escura assumida pela água nessa composição colorida indicando pouca energia reflectida por esta nas três regiões espectrais em questão Figura 42 Subcena de uma composição colorida das bandas 3 Vermelho 4 Verde e 5 Azul do sensor Thematic Mapper que mostra a porção oeste do reservatório da Usina Hidroelétrica de Tucuruí próximo á cidade de Novo Repartimento Mesmo se observando a água na região do visível em que há um maior volume de energia disponível para interagir com o corpo dágua a porcentagem de energia refletida pelos corpos dágua é relativamente menor que aquela refletida pelos demais alvos A Figura 43 representa uma composição das bandas 1 azul 2 verde 3 vermelho do sensor Thematic Água Introdução ao Sensoriamento Remoto 44 Mapper do satélite Landsat 5 após sofrer processamento para realçar as diferenças de cor da água do reservatório de Barra Bonita Estado de São Paulo Figura 43 Composição colorida dos canais 1 azul 2verde e 3 vermelho do sensor Thematic Mapper do satélite Landsat5 O que se observa nessa composição é que muitas das massas de água do reservatório de Barra Bonita apesar de a cena ter sido realçada para ampliar ao máximo o contraste do corpo dágua o que provocou a saturação dos demais alvos apresentam porcentagens de reflectância muito baixas associadas ao preto Os corpos dágua se distinguem portanto dos demais alvos por apresentarem em geral baixas porcentagens de reflectância o que implica em baixas radiâncias e portanto baixa probabilidade de que as diferenças detectadas pelos sensores estejam acima do ruído do sensor para a maioria dos sensores de primeira e segunda geração e para a maioria dos sensores de alvos terrestres como é o caso dos sensores TMLandsat e HRVSPOT A diferença mais crucial entre o estudo do comportamento espectral da água e dos demais alvos é que quando se estuda o comportamento de uma rocha o que se busca é conhecer as propriedades daquela rocha mas quando se estuda o comportamento da água o que se busca conhecer não é a águaobjetoemsimesmo mas os componentes que se encontram nela dissolvidos ou nela suspensos Portanto o estudo do comportamento espectral da água é usado como indicador do comportamento de um sistema muito mais complexo que é o sistema áquático Todas essas diferenças tiveram conseqüência no estudo do comportamento espectral da água A primeira conseqüência foi a de que durante muitos anos não existiam instrumentos suficientemente sensíveis que permitissem detectar diferenças sutis na porcentagem refletida pêlos diferentes corpos dágua Enquanto as pessoas saiam pelos campos medindo a reflectância dos solos das rochas das plantas sob as mais diferentes condições um ou outro pesquisador tentava desenvolver diferentes arranjos experimentais para tentar medir a energia refletida pela água As dificuldades para estudar o comportamento espectral da água sempre foram tantas que estudar água se tornou um assunto paradoxalmente árido levando a que muitos começassem mas poucos permanecessem entusiasmados com a empreitada após sucessivos resultados pouco satisfatórios Analisando a bibliografia sobre o assunto observase que as pesquisas nesse campo seguiram duas tendências básicas De um lado existem numerosos trabalhos Introdução ao Sensoriamento Remoto 45 experimentais realizados principalmente pela comunidade ligada a sistemas aquáticos continentais e por outro lado numerosos trabalhos de simulação e modelagem matemática realizados por pessoas oriundas da comunidade de oceanógrafos físicos Essas diferenças de abordagem deste alvo fez com que a metodologia de aquisição de dados a nomenclatura os conceitos utilizados etc sejam bastante específicos para o alvo água Pôr isso antes de nos aventurarmos pelo estudo do comportamento espectral da água teremos que nos deter um pouco no estudo de alguns conceitos básicos 411 Propriedades ópticas da água As propriedade ópticas da água apresentam grande variabilidade no tempo e no espaço em decorrência das propriedades gerais da água Existe uma forte conexão entre as propriedades ópticas da água e os constituintes da água e é essa conexão que torna importante a óptica hidrológica e que indica perspectivas otimistas ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos A Figura 44 resume algumas dessas conexões Espalhamento Absorção Não Seletivo Particulas 700 nm Seletivo Partículas 700 nm Seletivo moléculas dágua fitoplâncton substâncias húmicas sais dissolvidos Atenuação Qualidade da Radiação Quantidade da Radiação Fluxo Ascendente Figura 44 Relações entre as propriedades ópticas da água e a as propriedades biológicas físicas e químicas dos sistemas aquáticos Como se pode observar na Figura 44 temse de um lado o fluxo de energia incidente sobre um dado corpo dagua Esta energia pode alcançar a superfície como um campo de luz direcional segundo um dado ângulo de incidência e também como um campo de luz difusa oriundo da interação da radiação com a atmosfera O espectro de radiação que interessa aos processos vitais dos sistemas aquáticos é a radiação conhecida por fotossintéticamente ativa ou seja aquela que vai proporcionar a energia necessária para que ocorra a fotossíntese Essa radiação encontrase compreendida entre 400 nm e 700 nm A radiação que atinge a superfície da água tanto a difusa quanto a direta é parcialmente refletida pela água e parcialmente transmitida através da interface arágua A proporção da energia que é transmitida ou refletida pela água varia amplamente em função de Introdução ao Sensoriamento Remoto 46 fatores que serão discutidos oportunamente A maior parte entretanto da energia incidente sobre o corpo dágua é transmitida pela interface arágua e fica então a ação de dois processos a absorção e ao espalhamento A absorção e o espalhamento são duas propriedade ópticas inerentes da água por que seus coeficientes variam apenas com as propriedade do meio aquático e não com as propriedades do campo de luz incidente O espalhamento pode ser seletivo ou não seletivo e é provocado pela própria água e pelas partículas em suspensão na água A absorção é sempre seletiva e depende dos componentes dissolvidos e em suspensão na água Estas propriedades serão tratadas mais em detalhe nos próximos tópicos O fato é que ao penetrar na coluna dágua a radiação sofre alterações quantitativas e qualitativas ou seja a quantidade de energia inicial vai sendo atenuada a medida que o feixe é transmitido para as camadas mais profundas Esta atenuação é seletiva e o decaimento da potência é exponencial ou seja diminui rapidamente nos primeiros metros e depois mais e mais lentamente até o limite da zona eufótica Portanto a quantidade e qualidade da luz submersa a cada nível da coluna dagua está em íntima relação com a composição da água e com seus componentes físicos químicos e biológicos 412 Absorção no meio aquático A absorção de luz no meio aquático é decorrente da presenças de quatro componentes básicos a própria água substâncias dissolvidas na água substância amarela ou matéria orgânica dissolvida biota fotossintetizadora fitoplâncton e macrófitas quando presentes e partículas não vivas partículas orgânicas mortas e partículas inorgânicas Na Figura 45 podese observar a variação espectral do coeficiente de absorção da água Através de sua análise podese constatar que até em torno de 450 nm a absorção pela água pura é desprezível e que praticamente toda energia que atravessa a interface arágua atravessa em quase toda sua totalidade os primeiros metros 0 05 1 15 2 25 280 380 480 580 680 780 880 Comprimento de onda nm Coeficiente de absorção m 1 Figura 45 Coeficiente de absorção da água pura adaptado de Kirk 1995 A presença de matéria orgânica dissolvida gilvin ou substância amarela é um dos componentes responsáveis pelo aumento do coeficiente de absorção da água As propriedades de absorção dessas substâncias podem ser determinadas a partir do espectro de absorção de água natural filtrada com filtro de porosidade entre 0 2 µm e 04 µm usando cubas de 5cm a 10cm A Figura 46 ilustra o espectro de absorção por matéria orgânica dissolvida em um lago Introdução ao Sensoriamento Remoto 47 0 5 10 15 20 25 30 35 40 300 400 500 600 700 Comprimento de Onda nm Coeficiente de Absorção da Matéria Orgânica Dissolvida m1 Figura 46 Espectro de Absorção de Matéria Orgânica Dissolvida na Água Fonte Kirk 1995 A análise desta Figura 46 revela que a presença de matéria orgânica dissolvida na água provoca profundas modificações no processo de absorção da luz no meio aquático Em primeiro lugar o máximo de absorção da água com matéria orgânica dissolvida ocorre na região de mínima absorção da água pura È na região do azul em que se dá o maior contraste na absorção da água pura e da água com altas concentrações de matéria orgânica dissolvida Os coeficientes de absorção da matéria orgânica dissolvida se eqüivalem numericamente aos coeficientes de absorção da água pura no infravermelho Na região do verde e vermelho entretanto esse coeficiente é bem menor A Figura 47 mostra o espectro de absorção da clorofila para duas concentrações 50 mg m3 e 5 mg m3 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1 400 450 500 550 600 650 700 Comprimento de onda nm Coeficiente de Absorção da Clorofila m 1 50 mg m3 5mg m3 Figura 47 Coeficiente de absorção da clorofila a diferentes concentrações Adaptado de Mobley 1994 O coeficiente de absorção da clorofila tem dois máximos um na região do azul em torno de 450 nm e outro na região do vermelho em torno de 650 nm Estes máximos estão associados às clorofilas a e b as quais tem seus picos de absorção em 430 nm e 665nm respectivamente A clorofila ocorre abundantemente nas mais diferentes espécies de algas e sua concentração em miligrama geralmente é utilizada como uma medida da abundância fitoplâncton As concentrações de clorofila para os vários tipos de água podem variar de 0 01 mg m3 em águas oceânicas claras até 10 mg m3 em regiões muito produtiva A presenças de partículas orgânicas e inorgânicas na água também aumentam o seu coeficiente de absorção Essas partículas em geral apresentam espectro de absorção Introdução ao Sensoriamento Remoto 48 semelhante ao da matéria orgânica dissolvida mas sua magnitude é bem menor variando entre 03 m1 a 15 m1 em condições de águas bastante túrbidas 413 O espalhamento no meio aquático O espalhamento no meio aquático é provocado pela própria água e pelas partículas vivas e não vivas em suspensão na água A Figura 48 permite observar a variação espectral do coeficiente de espalhamento da água 0 10 20 30 40 50 60 400 450 500 550 600 Comprimento de onda nm Coeficiente de espalhamento x 10 4 m1 Figura 48 Coeficiente de espalhamento da água pura Adaptado de Mobley 1994 Através da análise da Figura 48 podese constatar que o máximo espalhamento da luz pelo corpo dagua limpa se dá na região do azul A forma geral do espalhamento pela água caracteriza se por uma redução exponencial do espalhamento em direção a comprimento de ondas mais longos A forma do espalhamento é semelhante ao espalhamento molecular de Rayleigh Entretanto a teoria não se aplica a líquidos visto que neste caso as moléculas de água não são livres para oscilar como as moléculas na atmosfera Em líquidos entretanto a oscilação contínua e aleatória de moléculas provoca flutuações aleatórias de densidade e portanto em sua constante dielétrica A interação da luz com essas descontinuidades e não com as moléculas individuais é que seria responsável pelo espalhamento da água pura À semelhança do espalhamento de Rayleigh para gases o espalhamento da água pura varia com o inverso da quarta potência do comprimento de onda b 1λ4 As águas naturais contém uma quantidade variável de partículas de tamanhos variáveis desde moléculas pequenas entre 01 nm e 1 nm até grandes moléculas de tamanhos em torno de 10 nm e vírus de dimensões ao redor de 100 nm até animais e peixes O material particulado encontrado na coluna dágua possui duas origens distintas biológica e física As partículas de importância ótica são as bactérias o fitoplâncton o zooplâncton os quais crescem se reproduzem e morrem dando origem a partículas orgânicas As partículas inorgânicas tem sua origem no intemperismo das rochas e solos As partículas inorgânicas geralmente são as que mais afetam as propriedades óticas da água As partículas orgânicas ocorrem em diversas formas tais como Vírus colóides bactérias fitoplâncton detritos orgânicos zooplâncton Embora individualmente vírus e colóides não são espalhadores eficientes de luz visto que suas dimensões são menores do que os comprimentos de onda do visível Entretanto estudos recentes mostram que estas partículas devido à grande concentração com que ocorrem na água contribuem significativamente para o retroespalhamento Mobley 1994 Estudos recentes também demonstram que as bactérias cujas dimensões variam entre 02 a 10 µm de diâmetro ocorrem Introdução ao Sensoriamento Remoto 49 em grandes concentrações em água natural 1011 a 1013 m3 e que são os mais importantes micro organismos a contribuir para o espalhamento por partículas O fitoplâncton ocorre em uma grande diversidade de espécies tamanhos formas e concentrações O tamanho das células fitoplanctônicas pode variar entre 1µm e 200µm Essas partículas são em geral muito maiores do que o comprimento de onda e são espalhadores eficientes da luz Estudos relatados por Kirk 1996 as partículas responsáveis pela maior proporção do espalhamento no meio aquático possuem diâmetros maiores do que 2 µm ou seja muito maiores que os comprimentos de onda com que interagem O espalhamento por partículas maiores que o comprimento de onda da radiação incidente é geralmente explicado pela teoria de Mie Mobley 1994 Kirk 1996 e pôr mecanismos de difração da luz A principal diferença entre o espalhamento por partículas grandes em relação ao espalhamento pôr partículas pequenas é que o primeiro é não seletivo ou seja é constante para os diferentes comprimentos de onda Além disso o espalhamento por partículas grandes é predominante na região frontal Como o espalhamento é proporcional também ao número de partículas no meio aquático e como para um mesmo peso de partículas há maior número de partículas pequenas em geral partículas finas resultam em maiores coeficientes de espalhamento A Figura 49a mostra o comportamento espectral de um corpo dágua sujeito a concentrações variáveis de sólidos em suspensão O que se observa é um aumento da reflectância da água em todos os comprimentos de onda A região mais sensível entretanto é a região compreendida entre o verde e o vermelho Isso faz com que em composições coloridas rios com alta concentração de sólidos em suspensão apresentem a cor amarela conforme a Figura 49 b 450 nm 550 nm 750 nm 950 nm SSC mgl 6 5 4 3 2 1 1 0 2 35 3 105 4 210 5 350 6 590 FRB 0 14 a b Figura 49 Comportamento Espectral da água sob diferentes concentrações de sedimentos em suspensão e Composição colorido normal TM1 Azul TM2 Verde TM3Vermelho Na Figura 49b podese observar que a água do rio Madeira tem altas concentrações de partículas em suspensão A quantificação da quantidade existente nessa exata data requereria entretanto calibração das imagens em campo Observando a mesma figura podemos verificar que a lagoa ao lado tem cor tendendo para o marron ou seja reflectancia no Introdução ao Sensoriamento Remoto 50 verde e vermelho mas inferior àquela do rio Este padrão permite o levantamento de duas hipóteses a concentração de sólidos é menor na lagoa em decorrência da decantação a lagoa tem alta concentração de matéria orgânica dissolvida Tais hipóteses só podem ser comprovadas em campo ou com a análise de imagens hiperespectrais 42 Comportamento espectral dos solos e minerais e rochas O comportamento espectral do solo é afetado por diversos fatores dentre os quais destacamse a cor do solo o tipo do solo latossolo litossolo podzólico o teor de matéria orgânica nele presente o teor de ferro a composição mineralógica do solo presença ou ausência de minerais escuros o teor de umidade e a sua textura distribuição de tamanho das partículas presentes no solo ou proporção de argila silte e areia O aspecto mais complexo no estudo e compreensão do comportamento espectral do solo é que em laboratório nós podemos isolar esses componentes e estudar seu efeito sobre a resposta espectral do solo Mas na natureza esses componentes encontramse inexoravelmente relacionados as vezes reforçando o efeito sobre o outro outras vezes anulando Via de regra entretanto de modo idealizado podemos dizer que a reflectância do solo aumenta monotonicamente com o comprimento de onda Para solos com a mesma composição mineralógica a tendência é a redução da reflectância com o aumento do tamanho das partículas Figura 410 φ 0062 mm 2 mm 0062 2 mm 500nm 900nm Comprimento de onda 0 80 Reflectância Figura 410 Efeito do tamanho da partícula sobre o comportamento espectral dos solos Adaptado de Szekielda 1988 O teor de umidade do solo afeta sua reflectância em todos os comprimentos de onda Quanto maior o teor de umidade menor é a reflectância do solo em todos os comprimentos de onda Entretanto este efeito não é o mesmo para todos os tipos de solo Estudos realizados por Epiphânio et al 1992 mostraram que quanto menor o albedo do solo seco menor é a porcentagem de variação da reflectância com a umidade A Figura 411 mostra o efeito da variação do teor de umidade de umidade crescente de a até d sobre a reflectância de um solo Podzólico VermelhoAmarelo PV No infravermelho médio o Fator de Reflectância chega a cair para menos da metade com o aumento da umidade Introdução ao Sensoriamento Remoto 51 0 10 30 50 450 950 1450 1950 2450 de Reflectância Comprimento de Onda nm Solo com 4 Teores de Umidade 68PV4 Figura 411 Efeito da umidade sobre a reflectância de uma amostra de Podzólico Vermelho Amarelo Fonte Epiphânio et al 1992 A Figura 412 mostra o Fator de Reflectância de um Latossol Vermelho Escuro também submetido à diferentes teores de umidade de umidade crescente entre a e d Como a reflectância média do Latossolo Vermelho Escuro seco é naturalmente mais baixa do que a do Podzólico Vermelho Amarelo o efeito da umidade é menor Ainda assim para um mesmo solo uma redução de reflectância em todos os comprimentos de onda pode ser interpretada como um aumento do teor de umidade do solo 0 10 30 50 450 950 1450 1950 2450 de Reflectância Comprimento de Onda nm Solo com 4 Teores de Umidade 32LE4 Figura 413 Comportamento Espectral de um Latossolo Vermelho Escuro submetido a diferentes teores de umidade Fonte Epiphanio et al 1992 A composição mineralógica também afeta o comportamento espectral dos solos como pode ser visto na Figura 414 Solos com alto teor de óxido de ferro e composto por minerais opacos apresentam reflectância mais baixa do que solos com baixo teor de óxido de Introdução ao Sensoriamento Remoto 52 ferro A presença de minerais opacos além de reduzir a reflectância dos solos em todos os comprimentos de onda mascara as bandas de absorção relativas à presença da água e de minerais de argila tais como a caulinita 1400 nm e a montmorilonita 2200 nm COMPRIMENTO DE ONDA nm FATOR DE REFLECTÂNCIA Alto teor de óxido de ferro minerais opacos Alto teor de óxido de ferrobaixo teor de minerais opacos Sem óxido de ferro Figura 414 Efeito do teor de óxido de ferro e de minerais opacos sobre o Fator de Reflectância dos solos 43 Comportamento espectral da vegetação Estudos da cobertura vegetal envolvendo as técnicas de sensoriamento remoto abrangem quatro diferentes níveis de coleta de dados laboratório campo aeronave e orbital Em laboratório comumente são consideradas as folhas partes de plantas ou até alguns arranjos de plantas dos quais são coletados dados radiométricos com o objetivo de caracterizar espectralmente fenômenos eou aspectos relacionados ao processo de interação entre a REM e a vegetação Em campo os dados podem ser coletados diretamente das folhas ou através de dispositivos como plataformas móveis ou fixas teleféricos etc que permitem a colocação dos sensores imediatamente acima dos dosséis vegetais segundo as mais diferentes disposições Na coleta de dados em aeronave estão incluídas as máquinas fotográficas os radiômetros e os sensores eletroópticos assim como no nível orbital A principal motivação dos estudos em vegetação envolvendo a aplicação das técnicas de sensoriamento remoto fundamentase na compreensão da aparência que uma dada cobertura vegetal assume em um determinado produto de sensoriamento remoto a qual é fruto de um processo complexo que envolve muitos parâmetros e fatores ambientais Há de se considerar que um dossel é constituído por muitos elementos da própria vegetação como folhas galhos frutos flores etc Um fluxo de radiação incidente sobre qualquer um destes elementos estará sujeito a dois processos espalhamento e absorção O processo de espalhamento por sua vez pode ser dividido em dois subprocessos reflexão e transmissão através do elemento O destino do fluxo radiante incidente sobre um destes elementos é então dependente das características do fluxo comprimentos de onda ângulo de incidência e polarização e das características físico químicas destes mesmos elementos De todos os elementos constituintes da vegetação a folha constitui o principal deles quando se considera o processo de interação descrito Para uma melhor compreensão das características de reflectância da REM incidente sobre uma folha é necessário o conhecimento de sua composição química principalmente tipo e quantidade de pigmentos fotossintetizantes e de Introdução ao Sensoriamento Remoto 53 sua morfologia interna distribuição e quantidade de tecidos espaços intercelulares etc Uma folha típica é constituída de três tecidos básicos que são epiderme mesófilo fotossintético e tecido vascular A folha é então coberta por uma camada de células protetoras epidérmicas na qual muitas vezes desenvolvese uma fina e relativamente impermeável superfície externa Abaixo da epiderme encontrase o mesófilo fotossintético o qual por sua vez é freqüentemente subdividido numa camada ou em camadas de células paliçádicas alongadas arranjadas perpendicularmente à superfície da folha que formam o parênquima As células do parênquima são ocupadas por seiva e protoplasma Esparsos através do mesófilo estão os espaços intercelulares cheios de ar os quais se abrem para fora através dos estômatos Esta rede de passagens de ar constitui a via de acesso pela qual o CO2 alcança as células fotossintéticas e o O2 liberado na fotossíntese retorna à atmosfera externa Uma terceira característica estrutural da folha é o tecido vascular A rede de tecidos do sistema vascular não serve somente para suprir a folha com água e nutrientes do solo mas também constitui a passagem pela qual fluem os produtos da fotossíntese que são produzidos na folha para as demais partes da planta As estruturas das células que compõem os três tecidos das folhas são muito variáveis dependendo da espécie e das condições ambientais O comportamento espectral de uma folha é função de sua composição morfologia e estrutura interna Desde que as características da folha são geneticamente controladas existirão portanto diferenças no comportamento espectral entre grupos geneticamente distintos Levando em consideração o conceito da reflectância interna numa folha e os conhecimentos do espectro de absorção da clorofila Willstatter e Stoll 1918 desenvolveram uma teoria sobre a trajetória da REM dentro de uma folha a qual é válida até hoje Os autores basearam sua teoria na estrutura interna das folhas e na reflectância potencial das superfícies Segundo eles a trajetória da REM se daria ao longo de vários meios sendo estes compostos pela água ar membranas celulares etc Um mesmo feixe de radiação poderia passar por exemplo através de uma camada de água que possui um índice de refração de 133 e em seguida atravessar um espaço preenchido com ar que possui um índice de refração igual a 1 Além desta variação nos índices de refração dos diversos meios a serem atravessados foi considerado que as células dos tecidos foliares principalmente do mesófilo esponjoso possuem uma estrutura irregular sendo orientada espacialmente sob diversos ângulos Willstatter e Stoll 1918 imaginaram as possíveis trajetórias da REM dentro de uma folha como mostra a Figura 41 Uma pequena quantidade de luz é refletida das células da camada superficial A maior parte é transmitida para o mesófilo esponjoso onde os raios incidem freqüentemente nas paredes celulares sendo refletidos se os ângulos de incidência forem suficientemente grandes Esta reflexão múltipla é essencialmente um processo aleatório no qual os raios mudam de direção dentro da folha Dado o grande número de paredes celulares dentro da folha alguns raios são refletidos de volta enquanto outros são transmitidos através da folha A espessura da folha é fator importante no caminho da REM já que geralmente a transmitância é maior do que a reflectância para folhas finas mas o inverso acontece com folhas grossas Introdução ao Sensoriamento Remoto 54 Fig 41Seção transversal de uma folha mostrando os possíveis caminhos da luz incidente Fonte Gates et al 1965 A curva de reflectância característica de uma folha verde sadia é mostrada na Figura 42 Os comprimentos de onda relativos ao ultravioleta não foram considerados porque uma grande quantidade dessa energia é absorvida pela atmosfera e a vegetação não faz uso dela Fig 42Curva de reflectância típica de uma folha verde Fonte Novo 1989 A análise da Figura 42 indica que a região compreendida entre 400 nm a 2600 nm pode ser dividida em três áreas a região do visível 400 nm a 700 nm b região do infravermelho próximo 700 nm a 1300 nm c região do infravermelho médio 1300 nm a 2600 nm Os principais aspectos relacionados ao comportamento espectral da folha em cada uma destas regiões são a região do visível Nesta região os pigmentos existentes nas folhas dominam a reflectância espectral Estes pigmentos geralmente encontrados nos cloroplastos são clorofila 65 carotenos 6 e xantofilas 29 Os valores percentuais destes pigmentos existentes nas folhas podem variar grandemente de espécie para espécie A energia radiante interage com a Introdução ao Sensoriamento Remoto 55 estrutura foliar por absorção e por espalhamento A energia é absorvida seletivamente pela clorofila e é convertida em calor ou fluorescência e também convertida fotoquimicamente em energia estocada na forma de componentes orgânicos através da fotossíntese b região do infravermelho próximo Nesta região existe uma absorção pequena da REM e considerável espalhamento interno na folha A absorção da água é geralmente baixa nessa região A reflectância espectral é quase constante nessa região Gates et al 1965 determinou que a reflectância espectral de folhas nessa região do espectro eletromagnético é o resultado da interação da energia incidente com a estrutura do mesófilo Fatores externos à folha como disponibilidade de água por exemplo podem causar alterações na relação águaar no mesófilo podendo alterar a reflectância de uma folha nesta região De maneira geral quanto mais lacunosa for a estrutura interna foliar maior será o espalhamento interno da radiação incidente e consequentemente maior será também a reflectância c região do infravermelho médio A absorção devido à água líquida predomina na reflectância espectral das folhas na região do infravermelho próximo Considerando a água líquida esta apresenta na região em torno de 2000 nm uma reflectância geralmente pequena sendo menor do que 10 para um ângulo de incidência de 65o e menor do que 5 para um ângulo de incidência de 20o A água absorve consideravelmente a REM incidente na região espectral compreendida entre 1300 nm a 2000 nm Em termos mais pontuais a absorção da água se dá em 1100 nm 1450 nm 1950 nm 2700 nm e 6300 nm 431 Interação da REM com os Dosséis Vegetais Todas as discussões apresentadas até o momento referiramse ao estudo das propriedades espectrais de folhas isoladas mas a aplicação das técnicas de sensoriamento remoto no estudo da vegetação inclui a necessidade de compreender o processo de interação entre a REM e os diversos tipos fisionômicos de dosséis florestas culturas agrícolas formações de porte herbáceo etc Uma vez que a folha é o principal elemento da vegetação sob o ponto de vista do processo de interação com a REM esperase que muito do que foi exposto referente às características de reflectância das folhas também seja válido para os dosséis De fato quando comparadas as curvas de reflectância de uma folha verde sadia com as medições espectrais de dosséis estas apresentam formas muito semelhantes Essa semelhança permite que os padrões de reflectância apresentados pelos dosséis vegetais em imagens multiespectrais possam ser previstos Assim por exemplo esperase que em imagens referentes à região do visível os dosséis apresentem tonalidade escura devido à baixa reflectância da REM em função da ação dos pigmentos fotossintetizantes em imagens da região do infravermelho próximo estes mesmos dosséis deverão apresentarse com tonalidade clara e em imagens do infravermelho médio esperase tons de cinza intermediários entre o escuro das imagens do visível e o claro daquelas do infravermelho próximo A distribuição espacial dos elementos da vegetação bem como a suas densidades e orientações definem a arquitetura da vegetação A distribuição espacial depende de como foram arranjadas as sementes no plantio no caso de vegetação cultivada do tipo de vegetação existente e do estágio de desenvolvimento das plantas Em vários modelos de reflectância da vegetação um dossel é considerado como sendo composto por vários subdosséis arranjados regularmente no solo plantios em fileiras por exemplo ou arranjados aleatoriamente segundo uma distribuição específica Para um dossel ou subdossel homogêneo assumese que a densidade dos elementos da vegetação é uniforme o que é caracterizado pelo Índice de Área Foliar IAF que representa a razão entre a área do elemento e a área no terreno O IAF é um dos Introdução ao Sensoriamento Remoto 56 principais parâmetros da vegetação e é requerido em modelos de crescimento vegetal e de evapotranspiração é ainda relacionado à biomassa Outro parâmetro que define a arquitetura do dossel é a Distribuição Angular Foliar DAF É caracterizada por uma função de densidade de distribuição fθl ψl onde θl e ψl são a inclinação e o azimute da folha respectivamente Por conseguinte fθl ψldθl dψl é a fração de área foliar sujeita aos ângulos de inclinação θl e θldθl e os ângulos azimutais ψl e ψldψl A DAF varia consideravelmente entre os tipos de vegetação Os dosséis são normalmente descritos por um dos seguintes seis tipos de distribuições planófila erectófila plagiófila extremófila uniforme e esférica Estes parâmetros arquitetônicos afetam qualitativamente a reflectância da vegetação Na região do visível uma vez que muito da energia incidente sobre uma folha é absorvida com o aumento do número de folhas isto é com o aumento do IAF mais e mais energia será absorvida pela vegetação Assim que o IAF atingir um determinado valor aproximadamente compreendido entre 2 e 3 muito da radiação incidente é interceptada e absorvida pelas folhas e um permanente aumento do IAF não influenciará a reflectância da vegetação Por conseguinte a reflectância na região do visível decresce quase que exponencialmente com o aumento do IAF até atingir um valor próximo de 0 quando o IAF assume valores entre 2 e 3 Na região do infravermelho próximo uma vez que a absorção é mínima o aumento do IAF implica no aumento do espalhamento e no conseqüente aumento da reflectância da vegetação até que o IAF atinja valores compreendidos entre 6 e 8 Um dos efeitos da DAF sobre a reflectância da vegetação referese à sua influência na probabilidade de falhas através do dossel como uma função dos ângulos zenital solar e de visada A orientação das fileiras de uma cultura agrícola por exemplo exerce menos influência na região do infravermelho do que na região do visível devido ao menor efeito das sombras uma vez que as folhas são praticamente transparentes nesta região espectral Um outro efeito da arquitetura do dossel sobre sua reflectância ocorre quando os elementos da vegetação não se encontram uniformemente distribuídos Supondo que ao invés de estarem uniformemente distribuídas no dossel as folhas estivessem agrupadas este agrupamento apresentaria dois efeitos principais ele aumentaria a probabilidade de ocorrência de lacunas através de toda a extensão do dossel que por sua vez aumentaria a influência do espalhamento dos elementos deste mesmo dossel localizados nas camadas mais próximas ao solo 432 Particularidades Sobre a Aparência da Vegetação em Imagens Orbitais Pelo exposto podese portanto constatar nas imagens que na região do visível um dossel vegetal apresenta valores de reflectância relativamente baixos devido à ação dos pigmentos fotossintetizantes que absorvem a REM para a realização da fotossíntese na região do infravermelho próximo que estes valores apresentamse elevados devido ao espalhamento interno sofrido pela REM em função da disposição da estrutura morfológica da folha aliado ainda ao espalhamento múltiplo entre as diferentes camadas de folhas e finalmente que no infravermelho médio temse uma nova queda destes valores devido a presença de água no interior da folha De fato estes fatores influentes não atuam isoladamente Em cada uma das regiões espectrais todos os fatores exercem sua influência concomitantemente Assim por exemplo os níveis baixos de reflectância na região do visível esperados para uma cobertura vegetal não se devem Introdução ao Sensoriamento Remoto 57 exclusivamente à absorção dos pigmentos existentes nas folhas mas também às sombras que se projetam entre as folhas as quais são dependentes da geometria de iluminação da Distribuição Angular das Folhas DAF e da rugosidade do dossel em sua camada superior topo do dossel Sobre esses efeitos discorreremos oportunamente Vale salientar que o que é efetivamente medido pelo sensor colocado em órbita terrestre é a radiância espectral Como cada sensor de cada banda espetral na qual tal sensor é apto a coletar a REM refletida pelos objetos possui sua própria sensibilidade isso implica num desbalanceamento entre as radiâncias espectrais medidas Esse desbalanceamento pode ocasionar diferenças de brilho de um mesmo objeto entre as bandas ora subestimandoo ora superestimandoo Isso pode explicar por exemplo que apesar da queda da reflectância espectral verificada na região espectral do infravermelho médio em relação à região do infravermelho próximo não ser muito acentuada no caso da cobertura vegetal a tonalidade escura resultante numa imagem do infravermelho médio freqüentemente é mais intensa do que aquela verificada em outra imagem do visível Aliase a este fato a maior interferência da atmosfera nas imagens do visível em relação àquelas do infravermelho que tende a deixar ligeiramente mais claros os dosséis vegetais Mesmo ciente destas influências é comum o intérprete de imagens orbitais interessado em extrair informações sobre a cobertura vegetal procurar associar os padrões apresentados por esta diretamente com suas características estruturais parâmetros biofísicos De fato como foi apresentado nos itens anteriores essa associação é possível mas existem algumas particularidades que devem ser consideradas Por exemplo é esperado que à medida que uma determinada cobertura vegetal aumenta sua densidade os valores de reflectância espectral referentes à região do visível apresentem uma diminuição quase exponencial enquanto que para a região do infravermelho próximo estes apresentam aumento também quase exponencial até que sejam atingidos seus respectivos pontos de saturação IAF2 ou 3 para a região do visível e IAF6 ou 8 para a região do infravermelho próximo Dependendo da arquitetura forma e distribuição espacial dos indivíduos constituintes do dossel assumida em cada uma das fases de desenvolvimento dessa cobertura vegetal esse efeito pode ou não ser constatado podendo ser mascarado pelo efeito de outros fatoresparâmetros principalmente participação do solo e sombreamento entre os próprios elementos da vegetação folhas galhos e troncos principalmente Assim em uma imagem do infravermelho próximo uma floresta perenifólia bem densa com um IAF muito elevado poderá assumir um brilho mais escuro do que um plantio jovem de Eucalyptus spp que possuiria um IAF bem menos elevado Em tal floresta a existência de diferentes estratos camadas horizontais com os indivíduos dominantes projetando suas copas acima de uma cota média do dossel poderia acarretar o sombreamento daqueles que se posicionariam imediatamente abaixo o que implicaria na diminuição da irradiância nos estratos inferiores e conseqüentemente na diminuição da radiância medida pelo sensor orbital o que por sua vez implicaria no escurecimento do dossel da floresta em relação ao de Eucalyptus spp que não possuiria estratos e portanto o sombreamento entre seus elementos constituintes seria bem menor Evidentemente que esse efeito será tanto maior quanto maior for o ângulo de incidência solar uma vez que o sombreamento é proporcional a esse ângulo Para o caso do solo sua participação também é dependente do ângulo de iluminação e desta vez de maneira inversa ou seja quanto maior for o ângulo de incidência é esperada uma menor participação do solo Cada dossel em particular possui suas características próprias e desenvolvese em diferentes tipos de solos sob diferentes condições ambientais Não há como prever todas as Introdução ao Sensoriamento Remoto 58 possibilidades tentar elencálas relacionandoas a possíveis padrões em imagens orbitais Assim como acontece com qualquer outro objeto de estudo à luz das técnicas de sensoriamento remoto são inerentes as chamadas ambigüidades nas quais efeitos de diferentes fatores parâmetros podem assumir valores iguais de radiância o que implicará em uma mesma aparência nas imagens mesmo em se tratando de diferentes coberturas vegetais Cabe ao intérprete estar preparado para conviver com estas limitações e extrair dos produtos de sensoriamento remoto o máximo de informação confiável 5 ELABORAÇÃO DE IMAGENS DA SUPERFÍCIE TERRESTRE Conforme já descrito anteriormente uma imagem é constituída pelos chamados elementos de resolução que representam um valor relacionado com a Radiância de uma determinada superfície terrestre A dimensão desta superfície é função das características do sensor e da plataforma que o sustenta O sensor registra a REM refletida de uma específica porção da superfície terrestre na qual encontramse alvos distintos cada um com suas próprias características de interagir com a REM incidente Como resultado o sensor registrará um único valor numérico relacionado à Radiância medida que apresentarseá como uma média das Radiâncias de todos os alvos contidos no elemento de resolução o qual é costumeiramente denominado pixel picture element O procedimento descrito acima deve ser encarado sob ponto de vista espectral ou seja a Radiância é medida numa determinada faixa ou região espectral ou pode ser medida em diferentes regiões espectrais instantaneamente O sensor pode então ser preparado para sentir a REM refletida pelos alvos contidos numa dada superfície em várias regiões espectrais Assim como resultado seriam registrados tantos valores numéricos quantas forem as regiões espectrais abrangidas pelo sensor cada um deles proporcional ao brilho da superfície em cada destas regiões Para a elaboração de uma imagem pictórica de uma porção da superfície terrestre o procedimento descrito acima pode ser repetido sistematicamente e de forma a cobrir pequenas áreas contíguas ou seja fazendo com que pixels sejam definidos no terreno um ao lado do outro A Radiância de cada um deles passa a ser registrada nas regiões espectrais mais convenientes e os valores numéricos provenientes dessa medição são então representados na forma de uma matriz bidimensional com n linhas e m colunas assim como mostrado na Figura 51 x1y1 x2y1 x3y1 Xmy1 x1y2 x2y2 x3y2 Xmy2 x1y3 x2y3 x3y3 Xmy3 x1yn x2yn x3yn xmyn Fig 51 Representação de uma matriz bidimensional com n linhas e m colunas Para melhor compreender como é essa matriz a Figura 52 ilustra uma cena específica representada por uma imagem de uma única faixa espectral e a matriz correspondente cujos elementos representam números relacionados à radiância medida em cada pixel na faixa espectral em questão Introdução ao Sensoriamento Remoto 59 Fig 52 Representação matricial de uma cena referente a uma faixa específica do espectro Fonte Sabins 1978 p243 Na Figura 53 encontrase apresentado um esquema de um sensor orbital coletando dados da superfície terrestre Assim como já apresentado anteriormente neste esquema podem ser identificados um espelho oscilante o qual é responsável pela chamada varredura no sentido ortogonal ao deslocamento da plataforma que sustenta o sensor os detetores que são os elementos que efetivamente sentem a REM refletida dos pixels nas diferentes regiões espectrais bandas espectrais e entre ambos o sistema óptico que é o responsável pela focalização e pelo direcionamento da REM sobre os detetores À medida que a plataforma segue seu deslocamento sobre a superfície terrestre o espelho oscila num plano ortogonal à esse deslocamento de forma síncrona garantindo que assim que uma linha de pixels tenha sido observada e dela coletada a REM refletida outra linha subsequênte seja constituída Vale salientar que são vários detetores sentindo a REM em igualmente várias regiões espectrais originando portanto várias imagens da mesma porção da superfície terrestre Estas imagens podem ser apresentadas em duas formas básicas a forma analógica produto fotográfico e a forma digital Na forma analógica as imagens são processadas e impressas em papel fotográfico em escalas padrão conforme normas específicas definidas por critérios cartográficos As imagens provenientes de diferentes regiões espectrais de uma mesma superfície terrestre podem então ser impressas separadamente o que origina as chamadas imagens em prêto e branco ou em composições coloridas as quais são constituídas por imagens de três regiões espectrais diferentes Em cada uma destas imagens são dispostos filtros coloridos nas cores vermelho verde e azul Introdução ao Sensoriamento Remoto 60 Fig 53 Coleta de dados da superfície terrestre mediante um sensor imageador Fonte Swain e Davis 1978 A Figura 54 ilustra o procedimento de elaboração de uma composição colorida Nesta Figura 54 têmse três imagens de uma mesma porção da superfície terrestre sendo cada uma referente à uma região espectral fictícia aqui denominadas canais X Y e Z O sensor que gerou estas imagens era capaz de sentir a REM refletida pelos diferentes alvos desta superfície em três diferentes níveis de intensidade aqui denominados alto médio e baixo Como consequência considerando uma só destas imagens os pixels que a compõe apresentaram três tipos de brilho traduzidos na legenda por símbolos mas que usualmente são substituídos por tons de cinza Os níveis mais baixos são traduzidos por tons de cinza escuros e os níveis mais altos por tons de cinza claros Fig 54 Procedimento de elaboração de uma composição colorida Fonte Novo1989 Introdução ao Sensoriamento Remoto 61 Imaginando que estas imagens pudessem ser colocadas uma frente à outra e que estas fossem ainda translúcidas Na frente de cada uma destas imagens fossem colocados ainda os filtros coloridos conforme apresentado na Figura 52 Como resultado do brilho relativo entre os alvos em cada uma das imagens e do processo de adição de cores cada um dos pixels apresentaria cores e tonalidades diferenciadas resultando portanto na chamada composição colorida Vale salientar que as cores e tonalidades resultantes nada tem à ver com as cores reais dos alvos contidos nas cenas Qualquer alteração promovida na ordem dos filtros ou imagens implicaria na alteração total das aparências de cada um dos pixels da imagem Na forma digital as imagens são gravadas em um meio magnético que podem ser fitas magnéticas e discos ópticos CDs Através de aplicativos especialmente desenvolvidos para este fim as imagens podem ser manipuladas em computadores através das técnicas de processamento de imagens digitais que podem ser divididas em três grupos técnicas de pré processamento técnicas de realce e técnicas de classificação Nas técnicas de préprocessamento procurase corrigir imperfeições radiométricas oriundas das diferenças de sensibilidade existente entre os diferentes detetores que sentiram a REM assim como imperfeições de ordem geométrica ou espacial as quais referem se ao posicionamento dos pixels dentro das imagens de forma a garantir uma aceitável representatividade dos pontos no terreno em relação aos padrões cartográficos estabelecidos As técnicas de realce têm com objetivo melhorar a qualidade visual das imagens através do aumento de contraste entre tons de cinza dos pixels Existem aqui inúmeros procedimentos já desenvolvidos com essa finalidade os quais fundamentamse em critérios determinísticos eou estatísticos Finalmente as técnicas de classificação visam a identificação das chamadas classes ou temas que vão compor um dos principais produtos da extração de informações de produtos de SR que são os mapas temáticos Essa identificação pode ser efetuada de diversas maneiras incluindo os algoritmos supervisionados e os nãosupervisionados Nos primeiros o intérprete ou especialista interessado na elaboração do mapa interage com o algoritmo fornecendo indicações sobre a localização dos temas de seu interesse O algoritmo segue o processamento identificando todos os pixels que apresentam características semelhantes daquelas apresentadas pelos pixels indicados pelo especialista Como resultado são ressaltados e individualizados cada pixel de cada tema ou classe em toda a imagem ou parte desta da qual se pretende extrair a informação elaborar o mapa Nos algoritmos nãosupervisionados é fornecido somente o número de classes que se pretende fracionar a imagem e o algoritmo decide sobre a natureza de cada pixel segundo critérios estatísticos 6 IMAGENS COM ALTA RESOLUÇÃO ESPACIAL O satélite IKONOS foi lançado da Base Aérea da Califórnia nos Estados Unidos em 24 de setembro de 1999 Tratase do primeiro satélite especialmente concebido para atender finalidades comerciais sendo que suas imagens recém começaram a ser distribuídas A câmera colocada a bordo deste satélite permite gerar simultaneamente imagens com resolução de 1 metro em seu modo pancromático e outras com resolução de 4 metros no modo multiespectral O satélite encontrase a 680 km de altitude e se move a 7 km por segundo A comercialização dessas imagens será feita pela empresa CARTERRA localizada em Denver Colorado EUA httpwwwspaceimagecom Introdução ao Sensoriamento Remoto 62 As imagens de alta resolução como as geradas pelo satélite IKONOS II são conseqüência direta da liberação tecnológica promovida em 1994 pelo Governo Americano Anteriormente essa tecnologia somente estava disponível para satélites de fins militares Com o sucesso do satélite IKONOS II lançado no final de Setembro99 as imagens de alta resolução já são uma grata realidade e estão revolucionando o mercado de dados orbitais Antes nenhum outro satélite comercial conseguiu atingir esse nível de detalhe espacial Dentre as principais características técnicas das novas imagens e do satélite IKONOS II destacamse as seguintes Data do lançamento do satélite 240999 Foguete Athena II Local de lançamento Vandenberg Air Force Base California USA Altitude 681km Inclinação 981º Velocidade 7kms Sentido da órbita Descendente Duração da órbita 98 min Tipo de órbita Solsíncrona Ângulo de visada Rápida alternância entre diferentes ângulos Resolução no terreno de cada banda Pancromática 1m considerando posição nominal de 26º fora do nadir Multiespectral 4m considerando posição nominal de 26º fora do nadir Bandas espectrais 045 a 090µ pan Azul 045 052µVerde 052 060µ Vermelho 063 069µ Infra vermelho próximo 076 090µ Faixa de imageamento 13km no nadir cena simples 13km x 13km Tamanho das cenas Faixas de 11km x 100km até 11km x 1000km Mosaicos de até 12000km2 Até 20000km2 de área continua imageada em uma única passagem Acurácia métrica Horizontal 12m Vertical 10m correção de sistema sem pontos de controle cartográficos Precisão relativa de pelo menos 90 da cena Horizontal 2m Vertical 3m com pontos de controle Precisão relativa em pelo menos 90 da cena Tempo de Revisita 29 dias pan 15 dia multiespectral Esses valores referemse a alvos ao longo da latitude de 40º O tempo de revisita para latitudes maiores será menor enquanto que para as latitudes próximas ao Equador o tempo será mais longo Vantagens e Benefícios A maior resolução espacial possível entre as imagens orbitais atualmente disponível no mercado possibilidade de combinação de imagens preto e branco gray scale com dados multiespectrais para a geração de imagens coloridas com 1m de resolução grande quantidade de informação disponível facilidade para interpretação visual algorítmos específicos como os encontrados no Expert Classifier disponível na versão 84 do aplicativo Erdas Imagine já são capazes de executar a interpretação digital dessas imagens e automatizar o processo de extração de informação radiometria de 11 bits 2048 níveis de cinza aumenta o poder de contraste e de discriminação das imagens produto para quem necessita grande resolução espacial identificar feições ricas em detalhes mas não requer grande precisão cartográfica A precisão cartográfica é obtida através da ortocorreção eou retificação das imagens Bandas espectrais no visível são mais largas quando comparadas com Landsat 5 e 7 permitem uma maior penetração na atmosfera e maior poder de discriminação dos alvos Introdução ao Sensoriamento Remoto 63 terrestres principalmente da cobertura vegetal áreas sombreadas e de corpos dágua imagens com 4m de resolução espacial oferecem até 25 vezes mais informações que imagens com 20m de resolução com imagens pancromáticas de 1m é possivel distinguir objetos do tamanho de 1m2 Aplicações diretas São inúmeras as aplicações destas imagens e em quase todos os ramos do conhecimento No entanto algumas aplicações merecem ser citadas Projetos de GIS redes telecomunicações planejamento meio ambiente Base para eleboração de Mapas Urbanos Básicos MUBS Elaboraçãoatualização de mapas de arruamentos e cadastro Mapeamento de cadastro urbano e rural Fonte de apoio para trabalhos com GPS Nova fonte de dados para trabalhos de detalhe Uso e ocupação do solo maior detalhe da morfologia urbana Meio Ambiente toda a sorte de projetos ambientais em escalas grandes ArquiteturaUrbanismoPaisagismo planos de recuperação ambiental e projetos de desenvolvimento Legal regularização de propriedades demarcação de pequenas glebas Engenharia integração com modelos as built Empreendimento em escalas da ordem 15000 até 12500 Agricultura com ênfase em previsão de safras e controle de pragas Agricultura de Precisão Florestal estimativa de potencial econômico projetos de desenvolvimento sustentável censo de árvores Turismo identificação de locais específicos mapas pictóricos e localização de atrativos turísticos Seguridade patrimonial e agrícola Ebusiness pequenas área customizáveis podem ser comercializadas pela Internet para atender o pequeno usuário que quer apenas localizar sua casa propriedade 7 SENSORIAMENTO REMOTO HIPERESPECTRAL IMAGEAMENTO ESPECTROSCÓPICO A Espectroscopia tradicional é o estudo da dinâmica e da estrutura molecular através da análise dos espectros de absorção espalhamento e emissão de radiação pelos diferentes tipos de materiais Em outras palavras através da espectroscopia de laboratório podem ser discriminados diferentes componentes da matéria a partir da análise dos espectros resultados de sua intereação com a energia incidente O mesmo princípio se aplica ao imageamento espectroscópico para cada píxel do terreno podem ser obtidos espectros de energia refletida ou emitida A análise desses espectros através de técnicas oriundas da espectroscopia de absorção permite fazer julgamentos sobre propriedades dos objetos presentes numa dada cena O conceito de imageamento espectroscópico pode ser melhor compreendido observandose a Figura 71 Nela podemos observar que para cada consituinte da cena podemos Introdução ao Sensoriamento Remoto 64 recuperar um espectro A análise desses espectros e a comparação de suas feições com bibliotecas espectrais permite diagnosticar a presença de certos componentes da matéria Figura 71 Conceito de Espectroscopia de Imageamento Segundo Green et al 1998 podemos definir um sensor como um Espectro Imageador se ele permite a aquisição de imagens em mais de 50 bandas espectrais contíguas A contiguidade e número de bandas espectrais é fundamental para o conceito de imageamento espectroscópico porque a análise dos dados derivados desse sensor se baseia na identificação de feições de absorção presentes no espectro para através delas determinar o tipo de material presente sua concentração a proporção de componentes mistos a distribuição espacial do material Para maiores detalhes sobre esse tema pode ser acessado o seguinte endereço httpmakalujplnasagov O conceito de Espectrometro Imageador foi desenvolvido a partir da década de 80 pelo Jet Propulsion Lab E o primeiro sensor operacional iniciou sua operação a partir de 1987 e é conhecido pela sigla AVIRIS Airborne VisibleInfrared Spectrometer Desde o início de sua operação já foram escritos centenas de artigos científicos apresentando novas metodologias de utilização desses dados e permitindo um constante aperfeiçoamento do sistema sensor bem como um recrusdescimento dos projetos de espectroscopia de campo de modo a aprofundar as bases teóricas para a interpretação de tais dados Um espectrometro imageador Figura 72 é formado basicamente pelos seguintes componentes a espelho oscilatório para varrer ou escanear a superfície da terra b um sistema de lentes objetiva para focalizar a radiação proveniente da superfície c um espectrômetro responsável pela dispersão da radiação em diferentes comprimentos de onda d uma matriz de detetores responsável pela detecção da radiação incidente de cada ponto do terreno e cada intervalo de comprimento de onda convertendo fotons em eletrons e um sistema de calibragem responsável pela estabilidade da qualidade radiométrica dos dados durante à aquisição das imagens f um sistema eletrônico que é responsável pela amplificação do sinal conversão AnalógicoDigital e registro em uma fita magnética de alta densidade Introdução ao Sensoriamento Remoto 65 Figura 72 Configuração do Sistema AVIRIS 8 INTERPRETAÇÃO VISUAL DE IMAGENS UMA ABORDAGEM METODOLÓGICA O principal objetivo da interpretação visual de imagens é a elaboração dos chamados mapas temáticos que são compostos por polígonos cujos atributos relacionamse com algum assunto específico assim como solos vegetação recursos hídricos cobertura e uso da terra etc Esses polígonos são distribuídos sobre o mapa segundo sistemas de projeção cartográficos variados e seus contornos são definidos mediante aquilo que se designa de interpretação visual de imagens que podem ser fotográficas quando oriundas de material fotográfico ou pictóricas quando originadas de imagens compostas por pixels Antes de iniciar qualquer tarefa de interpretação visual de imagens devem ser claramente conhecidos os objetivos que o mapa elaborado deverá atender Implícita nesses objetivos encontrase a definição de uma legenda que deve ser compatível com o tipo de produto de sensoriamento remoto que será utilizado bem como com a escala de trabalho Considerando a utilização de imagens orbitais multiespectrais as escalas mais freqüentemente empregadas são aquelas referentes às cartas topográficas disponibilizadas pela Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IBGE e pela Divisão do Serviço Geográfico DSG que incluem escalas de 150000 1 100000 1250000 1500000 e 11000000 Destas as escalas mais comumente empregadas são 150000 1100000 e 1250000 devido a serem estas mais confortáveis ao intérprete e a permitirem a elaboração de legendas mais compatíveis com as necessidades dos usuários dos mapas A definição da legenda então deve ser cuidadosamente estudada procurando sempre estabelecer temas coerentes com o assunto a ser representado no mapa Assim se o mapa temático incluirá tipos diferentes de solos estes devem ser identificados segundo um mesmo critério ou seja se o objetivo for representar cartograficamente diferentes solos segundo sua mineralogia as classes ou temas listados na legenda deverão expressar diferenças mineralógicas e jamais algum tipo de solo segundo por exemplo sua estrutura Para o caso do mapeamento da cobertura vegetal são comuns eqüívocos nos quais uma floresta ombrófila tema específico de um mapa fisionômicoecológico por exemplo é diferenciada de um plantio de Eucalyptus spp tema específico de cobertura e uso da terra Uma vez definidos a legenda o produto e a escala de trabalho seguese a definição da metodologia a ser empregada na elaboração do mapa No início do emprego das imagens orbitais com o objetivo de gerar mapas temáticos no Brasil e durante quase duas décadas décadas de 70 e início dos anos 90 a metodologia empregada fundamentavase na utilização de Introdução ao Sensoriamento Remoto 66 imagens analógicas materializadas em material fotográfico disponibilizadas na escala definida de mapeamento e materializadas nas chamadas imagens preto e branco ou em composições coloridas conforme já descrito no ítem 5 Elaboração de imagens da superfície terrestre dependendo da natureza assunto explorado do mapa temático da separabilidade visual dos objetos a serem mapeados proporcionada pelo produto imagem selecionado em função das propriedades espectrais desses objetos e finalmente da experiência da equipe de profissionais incumbida de elaborar o mapa Definida a forma de apresentação destas imagens analógicas seguiase a preparação dos costumeiramente denominados overlays que continham feições do terreno que permitiam a superposição destes com seus homólogos existentes nas imagens Esses overlays eram constituídos por uma papel polyester ligeiramente transparente e suficientemente estável no que se refere a variações de suas dimensões físicas Sobre esse papel eram desenhadas mediante o uso de cartas topográficas da área de interesse as feições como drenagem principais estradas e outros elementos da toponímia considerados estáveis ao longo do tempo Os overlays passavam então a constituirem uma espécie de cópia resumida das cartas topográficas que eram então superpostas às imagens por um intérprete experimentado que cuidadosamente procurava encaixar as feições copiadas no overlay com as respectivas feições contidas nas imagens Considerando que qualquer ponto imaginário sobre uma carta topográfica tem coordenadas geográficas conhecidas por tratarse de um produto georreferenciado e que o mesmo não acontece em uma imagem analógica ao se procurar sobrepor as feições de ambos os produtos overlay e imagem o encaixe não ocorre ao longo de toda a extensão do overlay acontecendo portanto em setores específicos o que implicava no contínuo deslocamento do overlay sobre a imagem durante o trabalho de interpretação Como conseqüência a localização dos polígonos delimitados durante a interpretação era sempre duvidosa pois era dependente da habilidade e do treinamento do intérprete Uma alternativa interessante para minimizar a subjetividade dessa superposição consistia na eleição dos chamados pontos de controle constituídos basicamente por cruzamentos de estradas bifurcações da drenagem ou pontos igualmente bem definidos tanto na carta topográfica quanto na imagem Esses pontos eram assinalados no overlay e a interpretação se dava sem a preocupação de sobrepor feições homólogas Posteriormente ao final da interpretação o conteúdo temático contido no overlay era digitalizado através de programas computacionais originando uma primeira versão eletrônica do mapa temático e através de um algoritmo específico essa versão eletrônica era modificada geometricamente conferindolhe o georreferenciamento de seu conteúdo temático A Figura 81 ilustra um esquema da superposição do overlay sobre a imagem e a primeira versão do mapa antes da digitalização Dependendo da extensão da superfície terrestre a ser mapeada e da natureza do mapa temático a ser elaborado os trabalhos de interpretação visual de imagens incluem diferentes procedimentos com o objetivo de garantir o máximo de confiabilidade Para o caso de mapeamentos de áreas pequenas uma bacia hidrográfica uma fazenda agrícola etc um único intérprete responsabilizase pela tarefa sendo que nesse caso é esperada uma certa uniformidade na definição dos polígonos uma vez que os critérios são subjetivos e estes estariam sendo aplicados fundamentalmente sempre da mesma forma Quando áreas muito extensas são mapeadas todo um Estado da federação vários Estados toda uma região do país etc é freqüente a composição de equipes que se responsabilizam pelas diversas etapas do trabalho Vários intérpretes são utilizados o que implicará na adoção de critérios ligeiramente diferentes na interpretação originando desuniformidade na definição dos polígonos dependendo do grau de capacitação treinamento e habilidade dos intérpretes Nesse caso é interessante a figura do homogenizador que deve ser um profissional com bastante experiência em interpretação visual de imagens e que vai interegir intimamente com os intérpretes procurando uniformizar ao Introdução ao Sensoriamento Remoto 67 máximo os critérios pessoais de cada um deles revisando todos os overlays freqüentemente e procedendo as correções que julgar necessárias a b Figura 81 Representação esquemática da superposição de um overlay sobre uma imagem a e da primeira versão do mapa temático resultante b Fonte Relatório Projeto Prodes httpwwwinpebr Atualmente com a disponibilização de plataformas computacionais e de aplicativos específicos para o processamento de imagens e para a manipulação de dados georreferenciados Sistemas de Informação Geográfica a interpretação visual vem sendo cada vez mais elaborada diretamente na tela de computadores dispensando a utilização dos overlays e de sua posterior digitalização As cartas topográficas estão também sendo disponibilizadas no formato digital e quando não se dispõe desse material dessa forma as imagens são georreferenciadas mediante a utilização das cartas em papel e de mesas digitalizadoras que permitem a comunicação entre o mapa e os produtos em formato digital A interpretação dáse portanto sobre as imagens já georreferenciadas o que origina mapas temáticos quase que imediatamente à medida que se dá a interpretação Mesmo assim as mesmas considerações já apresentadas sobre a homogenização das interpretações feitas sobre as imagens analógicas devem ser viabilizadas quando do mapeamento de extensas áreas Independentemente do procedimento a ser adotado a interpretação visual propriamente dita consiste na inspeção visual das imagens procurando identificar e delimitar toda a extensão dos ítens da legenda o que vai originar os polígonos sobre os quais temse mencionado anteriormente A identificação é feita segundo o conhecimento do comportamento espectral desses ítens e dos conseqüentes padrões de cor tonalidade textura tamanho forma contexto e sombra que estes assumem nas imagens Introdução ao Sensoriamento Remoto 68 9 Referências Bibliográficas Curran PJ Principle of Remote Sensing London Longman 1985 Elachi C Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing New York Wiley 1987 Epiphanio Relatorio da FAPESP Gates DM Keegan HJ Schleter JC Weidner VR Spectral properties of plants Applied Optics 41 1120 1965 Green R O Eastwood ML S Arture CM Chriuen T G Aronsson M Chippendale BJ Faust JA Pavri BE Chovit M S Olah MR Williams O Imaging SPectroscopy and the Airborne Visible Infrared Imaging SPectrometer AVIRIS Remote Sensing of Environment 64227248 1998 Jensen JR Issues involving the creation of digital elevation models and terrain corrected orthoimagery using softcopy photogrammetry Geocarto International 101 521 1995 Lo CP Applied Remote Sensing New York Langman 1986 393p Maluf Rosa S Apostila do Curso de Interpretação Visual de Imagens O sistema visual humano INPE São José dos Campos 1999 NovoEMde M Sensoriamento remoto principios e aplicações São Paulo Edgard Blucher 1989 308p Oliver C Quegan S Understanding Synthetic Aperture Radar Images Norwood Artech House 1998 p 479 RADARSAT RADARSAT distance Learning Program Ottawa Geometics International 1997 Sabins FFJr Remote Sensing principles and interpretation California USAWHFreeman and Company 426p 1978 Schowengerdt RA Remote Sensing Models and Methods for Image Processing London Academic Press 1997 p 521 Slater PN Remote Sensing optics and optical systems New York AddisonWesley 1980 SmithJA MatterEnergy interaction in the optical region In Manual of remote sensing Falls Church ASP 1983 p61113 SwainPHDavisSM Remote sensinga quantitative approach Lafayette McGrawHill 1978 Trevett JW Imaging Radar Resources Surveys London Chapman and Hall 1986 p 313 Willstatter R Stooll A Untersuchungen uber die assimilation der kohlensaure Springer Berlin 1918 PRINCÍPIOS FÍSICOS DO SENSORIAMENTO REMOTO AQUÁTICO O sensoriamento aquático remoto é uma técnica crucial para monitorizar e estudar massas de água fornecendo informações fundamentais sobre a qualidade da água a saúde dos ecossistemas aquáticos e as alterações ambientais Tratase de uma técnica fundamental para monitoramento e estudo de corpos hídricos fornecendo informações valiosas sobre a qualidade saúde do ecossistema aquático e mudanças ambientais Para compreender os princípios físicos por trás do sensoriamento remoto da água é importante estudar a interação da radiação eletromagnética com a água propriedades ópticas que influenciam como ele interage com a luz visível luz infravermelha e microondas que são usadas em várias técnicas de sensoriamento remoto A absorção reflexão e transmissão da radiação eletromagnética na água são influenciadas por fatores como sua composição química a presença de materiais suspensos e dissolvidos a profundidade e a turbidez A água absorve seletivamente a luz em vários comprimentos de onda o que permite a identificação e quantificação de substâncias específicas como cloro sedimentos e materiais orgânicos dissolvidos O reflexo da luz na superfície da água fornece informações sobre sua rugosidade e a presença de materiais em movimento A profundidade e a qualidade da água influenciam a atenuação da radiação eletromagnética restringindo a capacidade da luz de penetrar em vários comprimentos de onda A radiação infravermelha e as microondas são empregadas para adentrar na água e obter dados sobre a temperatura da superfície salinidade e vida aquática A utilização de diferentes bandas espectrais e técnicas de sensoriamento remoto da água possibilita uma análise minuciosa e abrangente de corpos dágua e processos hídricos Princípios físicos de detecção remota do ambiente aplicados em diversas plataformas e sensores desde satélites e aeronaves até veículos autônomos e instrumentos de medição in situ A escolha da plataforma e do sensor certo é influenciada pelas características do ambiente aquático a ser treinado resolução espacial e possibilidade espectral objetivos da pesquisa Análise e interpretação dos dados obtidos podem ser alcançadas quando os dados são integrados aos modelos matemáticos de detecção remota e às técnicas de processamento de imagens contribuindo assim para o monitoramento contínuo bem como a gestão sustentável dos recursos hídricos De modo resumido e para concluir os princípios físicos do sensoriamento remoto aquático são fundamentais para compreender a interação da radiação eletromagnética com a água e para obter informações sobre corpos dágua O sensoriamento remoto aquático é fundamental para compreender essa interação e obter dados sobre corpos dágua A aplicação desses princípios em diversas bandas espectrais e técnicas de sensoriamento remoto possibilita análises detalhadas da qualidade da água dos processos biogeoquímicos e das mudanças ambientais nos ecossistemas aquáticos O avanço das tecnologias de detecção aquática por controle remoto e a integração de dados multiplataforma têm contribuído significativamente para a pesquisa científica e para a tomada de decisões embasadas na gestão dos recursos hídricos e na conservação dos ecossistemas aquáticos