sensoriamento remoto

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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.

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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 arco-iris. 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.

3.3 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 aero-levantamentos, 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 0,01 e 0,03 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 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 3.6 mostra a curva característica de um filme e os conceitos a ela associados. Pela análise dessa figura, pode-se 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. 3.6 – 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 3.1 exemplifica a relação entre granularidade, velocidade, e resolução espacial da fotografia aérea para uma dada escala.

Tabela 3.1 - Relacionamento entre as diferentes características de um filme (adaptada de Curran, 1985).

FilmeTipo de FilmeAFSGranularidadeResolução espacial (linhas por m para um contraste 1,6:1)

Resolução Espacial na escala 1:15000

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A Figura 3.7 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 3.7 – 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 caracterizam-se 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 destacam-se: 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 multi-bandas. Neste caso, sistemas de lentes e filtros permitem que a radiação em

Introdução ao Sensoriamento Remoto diferentes comprimentos de onda sejam focalizadas em diferentes regiões do filme, permitindo a recomposição posterior de uma fotografia colorida infra-vermelho.

A Figura 3.8 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. 3.8 – Esquema de um filme infra-vermelho utilizado para adquirir fotografia aérea multibanda.

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 combinando-se três a três as diferentes imagens. Pode-se gerar uma composição infra-vermelha colorida, combinando-se, por exemplo, a imagem obtida no azul, no verde e no infra-vermelho, e associando-se 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 infra-vermelho aparerecerão na cor vermelha.

Outra ampla categoria de filmes são os filmes coloridos. O olho humano pode perceber mais do que 20 0 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, forma-se 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 3.9 ilustra o processo de formação de cores através da sensibilização e revelação de um filme colorido.

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Fig. 3.9 – 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 falsacor cuja estrutura e processamento são bastante similares a dos filmes coloridos. O filme infravermelho falsa cor utiliza a camada sensível ao azul para registrar a radiação verde, e a camada sensível á radiação vermelha para registrar a radiação infra-vermelha. Assim sendo, as fotografias infravermelhas coloridas falsa-cor 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 3.10 ilustra a estrutura de um filme infra-vermelho falsa cor.

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Fig. 3.10 – Estrutura de um filme infra-vermelho 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 falsa-cor 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.

3.4 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 3.1. 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.

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Fig. 3.1 – 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, convencionou-se 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 1:50.0) 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 (1:2.0) 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.

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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 mar(a). Essas relações podem ser observadas na Figura 3.12.

Fig. 3.12 – Grandezas relacionadas à escala fotográfica (adaptado de Curran, 1985).

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