Apostila Sensoriamento Remoto - INPE

Apostila Sensoriamento Remoto - INPE

(Parte 1 de 10)

São José dos Campos 2001

Introdução ao Sensoriamento Remoto

1. INTRODUÇÃO03
1.1. Um breve histórico sobre o Sensoriamento Remoto04
2. FUNDAMENTOS DE SENSORIAMENTO REMOTO06
2.1 Conceituação06
2.2 Conceitos radiométricos09
3. TIPOS DE DADOS DE SENSORIAMENTO REMOTO1
3.1 Plataformas de sensoriamento remoto13
3.2 Sistemas sensores: sistemas fotográficos15
3.2.1 O sistema visual humano15
3.2.2 Analogia entre o olho humano e a câmera fotográfica17
3.2.3 Visão das cores17
3.3 Sistemas fotográficos18
3.4 Obtenção de medidas a partir de fotografias aéreas23
3.4.1 Visão estereoscópica26
3.5 Interpretação de fotografias aéreas27
3.6 Sistemas sensores: imageadores eletro-ópticos27
3.6.1 Sistemas imageadores27
3.6.2 Tipos de imageadores31
3.6.3 Detetores32
3.7 Sistemas sensores: RADAR3
3.7.1 Conceitos básicos3
3.7.2 Geometria de imageamento RADAR35
3.7.3 Tipos de sistemas RADAR36
3.7.4 Interações entre a radiação de micro-ondas e a superfície terrestre38
3.7.5 Variáveis do sistema39
3.7.8 Variáveis ligadas ao objeto imageado40
4 COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE ALVOS41
4.1 Comportamento espectral da água42
4.1.1 Propriedades ópticas da água45
4.1.2 Absorção no meio aquático46
4.1.3 O espalhamento no meio aquático48
4.2 Comportamento espectral dos solos e de minerais e rochas50
4.3 Comportamento espectral da vegetação52
4.3.1 Interação da REM com os dosséis vegetais5
4.3.2 Particularidades sobre a aparência da vegetação em imagens orbitais56
5. ELABORAÇÃO DE IMAGENS DA SUPERFÍCIE TERRESTRE58
6. IMAGENS COM ALTA RESOLUÇÃO ESPACIAL61
8. INTERPRETAÇÃO VISUAL DE IMAGENS: UMA ABORDAGEM METODOLÓGICA65

Pág. 7. SENSORIAMENTO REMOTO HIPERESPECTRAL (IMAGEAMENTO ESPECTROSCÓPICO)63 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................ 68

Introdução ao Sensoriamento Remoto

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 concentraram-se na recepção e na utilização de imagens orbitais MSS dos satálites da série Landsat. Contudo, o conhecimento disponível naquela época restringia-se 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 faz-se 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.

Abrem-se 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 eletro-ópticos, informar sobre as características espectrais dos principais recursos naturais, capacitar os

Introdução ao Sensoriamento Remoto participantes na interpretação visual de imagens multiespectrais e informar sobre as principais possibilidades de aplicação das técnicas de Sensoriamento Remoto.

1.1 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 1:25 0 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

Amazônia (RADAM) que permitiu o levantamento de 8,5 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 (Trevett,1986).

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 manteve-se 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), ERS-1 (1991), JERS-1 (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 encontram-se resumidas na Tabela 1.1. Maiores detalhes sobre essas missões podem ser encontrados em Kramer (1996).

Tabela 1.1 – Principais Missões de Sensoriamento Remoto Orbital em Operação e Planejadas até 2002.

Missão Lançamento País

ADEOS-2 2000 Japão ALOS 2002 Japão ARIES 2001 Austrália CBERS-1 1999 China/Brasil CBERS-2 2001 China/Brasil EOS-AM1 1999 USA EOS-PM1 2000 USA EO-1 2000 USA EROS-A1 2000 Israel EROS-A2 2001 Israel ERS-2 1995 ESA Envisat 2001 ESA Ikonos-2 1999 USA IRS-1B 1991 Índia IRS-1C 1995 Índia IRS-1D 1997 Índia IRS-P4 1999 Índia IRS-P5 2002 Índia IRS-P6 2001 Índia KITSAT-3 1999 Corea Landsat-5 1984 USA Landsat-7 1999 USA LightSar 2002 USA QuickBird-1 2000 USA

Introdução ao Sensoriamento Remoto

QuickBird-2 2001 USA Radarsat-1 1995 Canadá Radarsat-2 2001 Canadá Spot-2 1990 França Spot-4 1998 França Spot-5 2002 França OrbView-3 2000 USA OrbView-4 2001 USA

Como pode se observado, O Brasil também encontra-se 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 (China-Brazil 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 infra-vermelho (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 Argentino-Brasileiro de Informações sobre Água, Alimento e Ambiente).

Além dessas perspectivas apresentadas há ainda aquelas referentes aos denominados “micro-satélites”, cujos objetivos variam segundo as mais variadas concepções adotadas. Como exemplo, destaca-se o SPIN-2, da União Soviética, dotado de resolução espacial de aproximadamente 2 m em seu modo pancromático.

2. Fundamentos de Sensoriamento Remoto 2.1 Conceituação

A definição clássica do termo sensoriamento remoto (SR) refere-se a um conjunto de técnicas destinado à obtenção de informação sobre objetos, sem que haja contato físico com eles. Para melhor compreender esta definição, faz-se necessário identificar os quatro elementos fundamentais das técnicas de SR, os quais podem ser representados através do esquema apresentado na Figura 2.1.

Fig. 2.1 Esquema representativo dos quatro elementos fundamentais das técnicas de sensoriamento remoto

REM Fonte

Sensor Alvo

Introdução ao Sensoriamento Remoto

No centro do triângulo deste esquema, encontra-se 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 micro-ondas e termais, podem ser antenas de micro-ondas 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 compreende-se que o elemento fundamental das técnicas de sensoriamento remoto é a REM, que no vácuo propaga-se 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 2.2 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;

FONTE: Novo(1989)

λ= Comprimento de onda; Fig. 2.2-Flutuações dos campos elétrico e magnético de uma onda.

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 2.3.

Introdução ao Sensoriamento Remoto

Fig.2.3-O 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”.

(Parte 1 de 10)

Comentários