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NOÇÕES BÁSICAS DE SENSORIAMENTO REMOTO
1. Conceitos básicos
2. Breve histórico
3. Radiação Eletromagnética
4. Interações da REM com alvos
5. Satélites e sensores
6. Imagem digital
7. Exercício
Sumário
Conjunto de atividades cujo objetivo é a caracterização de algumas propriedades de alvos, através da detecção, registro e análise do fluxo de energia radiante, por eles refletido ou emitido (Lillesand; Kiefer, 1987).
É a utilização de sensores para aquisição de informações sobre objetos ou fenômenos sem que haja contato direto entre eles (Rosa, 1995).
Método que utiliza a radiação eletromagnética (REM) como meio de detectar e medir algumas características dos alvos (objetos) de interesse (Wolf; Dewitt, 2000).
1. Conceitos Básicos
Satélites, câmaras, telescópios e até nossos olhos são
ferramentas utilizadas para
analisar objetos à distância.
1. Conceitos Básicos
• A origem do SR vincula-se ao surgimento da fotografia aérea;
• Assim, a história pode ser divida em dois períodos: – 1860-1960– 1960- aos dias atuais
O SR é fruto de um esforço multidisciplinar que integra os avanços na Matemática, Física, Química, Biologia, Computação, entre outras.
2. Breve Histórico
• As fotografias foram os primeiros produtos do SR
• 1859: Descoberta processo fotográfico
• Pouco depois câmaras começaram a ser montadas em balões de ar quente.
• Tal técnica foi usada durante a Guerra Civil dos EUA (1862) para reconhecimento do território.
2. Breve Histórico
• 1890: Foguetes foram lançados para obter fotos aéreas, mas com baixa resolução;
• 1909: Inicia-se a foto tomada por aviões e na I Guerra Mundial seu uso intensificou-se;
• II Guerra Mundial: houve grande desenvolvimento do SR, nesse período:– Filme infravermelho para
detectar clamuflagem;– Novos sensores, como
radar;
2. Breve Histórico
Filme colorido
Filme infravermelho
Lillesand e Kiefer (1987)
• Guerra Fria: foram desenvolvidos sensores de alta resolução;
• 1960: foram obtidas as primeiras fotos tiradas de satélite tripulados;
• 1960: Lançamento do primeiro satélite meterológico – TIROS;
• 1972: Lançamento do ERTS-1 – primeiro satélite de recursos terrestre. Mais tarde denominado de LANDSAT – 1;
2. Breve Histórico
• 1973: Brasil recebeu as primeiras imagens do LANDSAT;
• 1988: Início do Programa CBERS
• 1999: Lançamento do satélite IKONOS marca o início de uma nova geração de satélites com resolução espacial muito alta.
• 2003 e 2007: Lançamento do CBERS 2 e CBERS 2B, respectivamente.
2. Breve Histórico
É a combinação da energia elétrica e magnética Se propaga no vácuo. Variam com a frequência e com o comprimento de onda.
3. Energia Eletromagnética
FrequênciaNúmero de ciclos por unidade de tempo, medida normalmente em Hertz
Onda EletromagnéticaComprimentoDistância entre dois quaisquer equivalentes da onda.
3. Energia Eletromagnética
Varia de Nanômetros (nm) a Kilômetros (km)
Comprimento de Onda Eletromagnética
Nanômetro (nm)Equivale à 1 bilionésimo do metro
1 nm = 1 = 0,000 000 001 m1 000 000 000 m
Micrômetro (µm)Equivale à 1 milionésimo do metro
1 µm = 1 = 0,000 001 m1 000 000 m
3. Energia Eletromagnética
Espectro EletromagnéticoConjunto de regiões com características peculiares em função dos processos físicos geradores e detectores da energia eletromagnética.
3. Energia Eletromagnética
Elementos do Sensoriamento Remoto
3. Energia Eletromagnética
Janelas AtmosféricasRegiões do espectro magnético onde a radiação de determinados comprimentos de onda é pouco absorvida ou atenuada pela atmosfera.
3. Energia Eletromagnética
A REM que atinge a superfície terrestre pode ser:– Refletida;– Absorvida;– Transmitida;
Ei() = Energia incidente
ER() = Energia Refletida
ET() = Energia TransmitidaEA() = Energia Absorvida
Ei() = ER() + EA() + ET()
Interação básica da energia eletromagnética com uma feição da superfície terrestre.(Fonte: Lillesand e Keifer, 1995)
4. Interações da REM com os alvos
Medidas de energia
RadiânciaQuantidade de energia que atinge uma superfície
IrradiânciaQuatidade de energia que reflete de uma superfície
ReflectânciaRazão entre irradiância e radiância
4. Interações da REM com os alvos
Assinatura Espectral
Os alvos da superfície terrestre como a vegetação, a água e o solo refletem, absorvem e transmitem radiação eletromagnética em diferentes proporções;
Esse comportamento espectral dos diversos alvos é denominado assinatura espectral e é utilizado em SR para distingui-los entre si.
Assinaturas espectrais são curvas que mostram a reflectância de cada alvo em diferentes comprimentos de onda
4. Interações da REM com os alvos
Assinatura da VegetaçãoReflectância até 50%Dependem das propriedades das folhas (estrutura celular, pigmentação, espessura, quantidade de água)
4. Interações da REM com os alvos
Assinaturas do Solo expostoReflectância até 30 a 40%Dependem da mistura de solos, quant. de ferro, etc.Valores baixos nas bandas de absorção de água
4. Interações da REM com os alvos
Assinaturas da ÁguaReflectância até 10%Menor reflectância que a vegetação e os solosÁgua turva ou suja apresenta maior reflectância
4. Interações da REM com os alvos
5. Satélites e sensores
Equipamentos capazes de coletar energia proveniente do objeto, convertê-la em sinal passível de ser registrado e apresentá-lo em forma adequada à extração de informações.
Sistemas Sensores
OrbitaisSatélites
Quanto ao nível de coleta de dados
Sub-orbitaisBalões
Aeronaves
TerrestresEspectro-radiômetros
Máquinas fotográficas
5. Satélites e sensores
PassivosUtiliza-se de fonte de radiação externa. Exemplos: Sol ou outras radiações.
Quanto à fonte de radiação utilizada
AtivosFonte de radiação própria.
Ex.: Flash de máquina fotográfica e Radar.
5. Satélites e sensores
Não-VarreduraRegistram a radiação refletida de uma cena em sua totalidade e em um mesmo instante.Ex.: Máquinas Fotográficas.
VerreduraA imagem da cena é formada pela aquisição seqüencial de imagens elementares do terreno.Ex.: Sensores orbitais.
5. Satélites e sensores
Processos de varredura
5. Satélites e sensores
Espelho Matriz de detetores
Sensores Não-Imageadores
Espectro-radiômetro
Laboratório Campo
5. Satélites e sensores
LIDAR - Ligth Detection and Ranging
Sensor ativo não-imageador que mede distâncias (altitude) dos elementos da superfície por varredura a laser transversal à linha de vôo do sensor;
Permite gerar como produtos: MDE, MDT e MDS
A distância é medida pelo tempo entre o sinal emitido e o retorno de cada pulso laser.
A precisão depende da densidade de pontos medidos
5. Satélites e sensores
Levantamento com LIDAR
5. Satélites e sensores
MDE gerado com LIDAR
5. Satélites e sensores
Sensores Imageadores
Olho humano
Em câmaras fotográficas
CCD (Charge-Coupled Device)
Dispositivo eletrônico composto de milhares de pequenas células (detetores) sensíveis à radiação
A bordo de satélites artificiais
Convencionais: usam filmesDigitais: usam chip CCD
5. Satélites e sensores
Satélites artificiais de Sensoriamento Remoto
LANDSAT
SPOT
CBERS
QUICKBIRD
IKONOS
5. Satélites e sensores
LANDSAT (Land Remote Sensing Satellite)Responsável: NASA (National Aeronautics and Space Administration)
5. Satélites e sensores
LandSat 1, 2 e 3: Projetos experimentais RBV/MSSLandSat 4 e 5: MSS/TM, LanSat 7: ETM+LDCM – LansSat Data Continuity Mission: Sensor Termal
Características gerais dos satélites LANDSAT
Satélite LANDSAT 1 LANDSAT 2 LANDSAT 3 LANDSAT 4 LANDSAT 5 LANDSAT 6 LANDSAT 7
Lançamento 27/7/1972 22/1/1975 5/3/1978 16/7/1982 1/3/1984 5/10/1993 15/4/1999
Situação Atual Inativo (06/01/1978)
Inativo (25/02/1982)
Inativo (31/03/1983) Inativo (1993) em atividade Inativo
(05/10/1993) Inativo (2003)
Órbita Polar, Circular e heliossíncrona
Polar, Circular e heliossíncrona
Polar, Circular e heliossíncrona
Polar, Circular e heliossíncrona
Polar, Circular e heliossíncrona s.d. Polar, Circular e
heliossíncrona
Altitude 917 km 917 km 917 km 705 km 705 km s.d. 705 km
Inclinação 99º 99º 99º 98,20º 98,20º s.d. 98,3º
Tempo de Duração da Órbita 103,27 min 103,27 min 103,27 min 98,20 min 98,20 min s.d. 98,9 min
Horário de Passagem 9:15 A.M. 9:15 A.M. 9:15 A.M. 9:45 A.M. 9:45 A.M. s.d. 10:00 A.M.
Período de Revisita 18 dias 18 dias 18 dias 16 dias 16 dias s.d. 16 dias
Instrumentos Sensores RBV e MSS RBV e MSS RBV e MSS MSS e TM MSS e TM ETM ETM+
5. Satélites e sensores
SPOT (Sistéme Probatoire de L’observation de la Terre)
SPOT 1, 2 e 3
SPOT 5
SPOT 4
5. Satélites e sensores
Características Gerais dos satélites SPOT
5. Satélites e sensores
Sensor HRS(High Resolution Stereoscopic)Abordo do SPOT 5
Capacidade de adquirir 2 imagens de uma mesma cena: uma adquirida com 20 graus de inclinação para frente e outra 1 minuto e meio depois com mesma inclinação para trás.
Permite gerar imagens 3D
5. Satélites e sensores
Sensores acoplados em satélites artificiais
Características GeraisMassa 1.450 kgPotência do painel solar 1.100 wattsDimensões do painel solar 6,3 x 2,6m
Dimensões do corpo 2,0m x 8,3m x 3,3m (em orbita)
Tempo de vida 2 anos (confiabilidade de 0,6)
Características Orbitais
Altitude média 778 km
Inclinação 98,5 graus com o equador
Revoluções por dia 14 + 9/26
Período 100,26 minutos
Cruzamento do equador 10h 30min
CBERS-2 (China-Brazil Earth Resource Satellite)
5. Satélites e sensores
Montagem do CBERS 2 (Brasil)
LIT - Laboratório de Integração e Testes do INPE
Lançamento do CBERS 2: 21 de Outubro de 2003 (China)
Seqüência de Lançamento
Satélites Não-GeoestacionáriosCaracterísticas das órbitas
Acompanham o movimento de translação da Terra
Órbita PolarTransversal ao sentido de rotação da Terra
Imageiam faixas não sequenciais
Órbita LandSat:Leva cerca de 100 minutos, enquanto se desloca 3 mil Km ao longo do equador
5. Satélites e sensores
Estação de Recepção e Gravação de Dados de Cuiabá
Iniciou sua operação em maio de 1973 e grava continuamente dados do País e de quase toda América do Sul.
Foi a terceira no mundo a ser instalada para receber os sinais do satélite LANDSAT
Os sinais são recebidos através de antenas parabólicas de 10 e 12 metros de diâmetro.
5. Satélites e sensores
Estação Processamento Dados de Cachoeira Paulista (SP)
Divisão de Geração de Imagens – DGIDestinada a processar os dados de satélites de sensoriamento remoto
Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos – CEPTEC Realiza atividades operacionais e de pesquisa
5. Satélites e sensores
CBERS-2B
Lançado em 19 de setembro de 2007.
Possui três sensores a bordo: CCD, WFI e HRC.
HRC substitui a câmera IRMSS do CBERS-2
5. Satélites e sensores
Pixel (Picture Element)Corresponde a uma área mínima, geograficamente identificada, e para a qual são registrados níveis de cinza.
Nível de CinzaÈ um valor inteiro, não-negativo e finito relacionados à intensidade de energia refletida em faixas (bandas) bem definidas do espectro eletromagnético.
6. Imagem digital
Imagem DigitalÈ uma matriz onde cada célula representa um pixel.
Exemplo de uma imagem digital.
6. Imagem digital
ResoluçãoÉ uma medida da habilidade que um sistema sensor possui de distinguir alvos ou fenômenos na superfície terrestre
EspacialEspectralRadiométricaTemporal
6. Imagem digital
Resolução EspacialSensibilidade em distinguir alvos em função da separação angular ou linear entre os mesmos.
ExemploUm sensor com resolução de 20 metros implica que objetos distanciados entre si a menos que 20 metros, em geral não serão discriminados pelo sistema.
6. Imagem digital
Resolução espectralSensibilidade do sensor em distinguir alvos que diferem entre si por refletir diferentes quantidades de energia eletromagnética
ExemploUm sensor que opera em 7 bandas espectrais em maior capacidade de distinguir alvos do que um que opera em apenas 4 bandas.
6. Imagem digital
É o intervalo entre dois comprimentos de onda, no espectro eletromagnético.
Banda Espectral
Cada elemento na terra e a água refletem variadas quantidades de energia em comprimento de ondas particulares.
Dois elementos que não são distinguíveis em uma banda podem apresentarem muito diferentes em outra banda.
6. Imagem digital
Bandas Espectrais
Figueiredo (2005)
6. Imagem digital
Banda 1 Banda 2 Banda 3 Banda 4
Banda 5 Banda 6 Banda 7 Banda 8
Sensor TM do satélite LandSat: bandas e aplicações
Mapeamento hidrotermal 2.08 - 2.357
Mapeamento de estresse térmico em plantas Outros mapeamentos térmicos 10.4 - 12.56
Medidas de umidade da vegetaçãoDiferenciação entre nuvens e neve1.55 - 1.755
Levantamento de biomassa Delineamento de corpos d'água 0.76 - 0.904
Absorção de clorofilaDiferenciação de espécies vegetais0.63 - 0.693
Reflectância de vegetação verde sadia 0.52 - 0.602
Mapeamento de águas costeiras Diferenciação entre solo e vegetação Diferenciação entre vegetação coníferas e decídua
0.45 - 0.521
Principais aplicaçõesFaixa Espectral (um) Banda
Imagem digital
Estudo de áreas urbanas0.51 - 0.73Pan
Levantamento de fitomassaDelineamento de corpos d'água 0.79 - 0.893
Absorção da clorofilaDiferenciação de espécies vegetaisDiferenciação de solo e vegetação
0.61 - 0.682
Reflectância de vegetação verde sadiaMapeamento de águas 0.50 - 0.591
Principais aplicaçõesFaixa Espectral (um) Banda
Sensor HRV do satélite SPOT: bandas e aplicações
6. Imagem digital
Sensores dos satélites SPOT 1, 2, 3, 4 e 5
6. Imagem digital
Mapeamento noturno e diurno de nuvens.Medição da superfície do mar, lagos e rios.Detecção de erupção vulcânica.Umidade do solo, atributos metereológicos das nuvens.Temperatura da superfície do mar e umidade do solo.
10.30 - 11.30 (4)11.50 - 12.50 (5)4 e 5
Mapeamento noturno e diurno de nuvensAnálise da temperatura (C) da superfície do marDetecção de pontos quentes (incêndios).
3.55 - 3.933
Delineamento da superfície da águaDefinição de condições de fusão de neve e geloAvaliação da vegetação e monitoramento metereológico
(nuvens).
0.725 - 1.12
Mapeamento diurno de nuvem, gelo e neve.Definição de feições de solo e cobertura vegetal. 0.58 - 0.681
Principais aplicaçõesFaixa Espectral (um) Banda
Sensor AVHRR do satélite NOAA: bandas e aplicações
6. Imagem digital
Bandas TM e Assinatura Espectral
6. Imagem digital
Resolução radiométricaÈ a sensibilidade do sistema sensor em distinguir níveis de cinza NC = 2 ^ bit
1 bit (2 NC) 8 bits (256 NC)
6. Imagem digital
Varia em função da largura da faixa de imageamento do sensor
Resolução TemporalEsta associada ao intervalo de tempo que um sensor leva para imagear novamente um mesmo ponto.
6. Imagem digital
Resolução TM HRV AVHRR
Temporal 16 dias 26 dias 2 vezes ao dia
Espacial 30 m120 m (Banda6)
20 m (Banda1 a 3)10 m (Pan) 1.1 Km (nominal)
Radiométrica 8 bits 8 bits (1-3) 6 bits (Pan) 10 bits
Espectral
Banda 1: 0.45-0.5Banda 2: 0.52-0.60Banda 3: 0.63-0.69Banda 4: 0.76-0.90Banda 5: 1.55-1.75Banda 6: 10.74-12.5Banda 7: 2.08-2.35
Banda 1: 0.50-0.59Banda 2: 0.61-0.68Banda 3: 0.79-0.89Pan: 0.51-0.73
Banda 1: 0.58-0.68Banda 2: 0.725-1.1Banda 3: 3.55-3.93Banda 4: 10.30-11.30Banda 5: 11.50-12.50
Características de resolução dos sistemas sensores a bordo dos satélites Landsat, SPOT e NOAA.
6. Imagem digital
Características CCD IR-MSS WFI
Res. Temporal 26 dias 26 dias 3 a 5 dias
Res. Espacial 20 m 80 m (pan e 4) 260 m
Faixa Imageada 113 km 120 Km 890 Km
Res. Espectral
Banda 1: 0.45-0.52Banda 2: 0.52-0.59Banda 3: 0.63-0.69Banda 4: 0.77-0.89Pan: 0.51-0.73
Banda 1: 0.50-1.10Banda 2: 1.55-1.75Banda 3: 2.08-2.35Pan: 10.40-12.50
Banda 1: 0.63-0.69Banda 2: 0.76-0.90
Características de resolução dos sistemas sensores a bordo dos satélites CBERS.
6. Imagem digital
IMAGENS DE BAIXA E MÉDIA RES. ESPACIAL
IMAGEM 3D = IMAGEM + MDT
IMAGENS DE RADAR
IMAGENS
INFRA-VERMELHO
http://www.dgi.inpe.br/CDSR/
Baixar imagem de satélite disponibilizada no Catálogo de Imagens do INPE:
7. Exercício