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Dr. Ronald Buss

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Dr. Ronald Buss
Sensoriamento Remoto:
conceitos fundamentais e
plataformas
Dr. Ronald Buss de Souza
Centro Regional Sul de Pesquisas Espaciais - CRS
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE
[email protected]
O que é Sensoriamento Remoto?
O que é Sensoriamento Remoto?
Lillesand e Kiefer (1994): sensoriamento remoto é a ciência e a arte de
obter informação sobre um objeto (alvo), área ou fenômeno
através da análise de dados adquiridos por um dispositivo (sensor) que
não está em contato direto com o objeto, área ou fenômeno sob
investigação
O que é Sensoriamento Remoto?
Dados são coletados remotamente para gerar informação
Os dados coletados remotamente podem ser de diversas formas:
- variação na distribuição de forças;
- variação na distribuição de ondas mecânicas;
- variação na distribuição de ondas eletromagnéticas
O que é Sensoriamento Remoto?
Rees (1990): obtenção de informação sobre um determinado alvo
sem contato direto com ele
Curran (1985): uso de sensores de radiação eletromagnética (REM)
para registrar imagens que podem ser interpretadas para fornecer
informação útil sobre o ambiente
O que é Sensoriamento Remoto?
Em ciência, sensoriamento remoto significa observar o nosso
planeta usando sensores de observação muito acima do solo.
Esses sensores podem ser câmeras que “enxergam” não
somente a luz visível, mas também a radiação em outros
comprimentos de onda como o infravermelho e as microondas,
por exemplo
O sensoriamento remoto, por isso, é conhecido hoje também
pelo termo
“Observação da Terra”
sendo feito, comumente, por satélites
O processo de coleta de informação
O sensoriamento remoto é regido pela interação entre a radiação
eletromagnética (REM) e o alvo. Para gerar informação relevante, o
processo é composto por sete elementos fundamentais:
O processo de coleta de informação
(A) Fonte de energia ou iluminação
(B) Radiação eletromagnética e atmosfera
(C) Interação com o alvo
(D) Registro da energia pelo sensor
(E) Transmissão, recepção e
processamento dos dados
(F) Interpretação e análise
(G) Aplicações
Não esquecendo que a energia pode também ser emitida pelo alvo e que nem
todos os sistemas de sensoriamento remoto produzem imagens
Fontes da REM: o Sol
O Sol irradia REM em todos os comprimentos de onda do espectro
O Sol
A energia produzida no Sol atravessa o espaço na velocidade da luz, atingindo
a Terra e interagindo com a atmosfera e com a superfície do planeta
A Terra reflete uma parte dessa radiação de volta ao espaço e absorve uma
parte dessa radiação posteriormente re-emitindo em comprimentos de onda
mais longos
A Energia (Radiação) Eletromagnética
Toda matéria com temperatura acima do zero absoluto (-273.15 oC) emite energia,
podendo ser considerado uma fonte de
radiação eletromagnética (REM)
Dois modelos explicam a propagação da REM:
Modelo Corpuscular
Modelo Ondulatório
A energia comporta-se como onda quando se propaga pelo espaço e como partícula
quando interage com a matéria
Detecção da radiação
A radiação na forma eletromagnética ou como partícula transfere energia desde a sua
fonte até algum ponto distante aonde essa é depositada completa ou parcialmente
A deposição de energia é a forma encontrada para a detecção da radiação
A radiação que não deposita energia jamais poderá ser detectada pois não interage
com nada, não produzindo efeitos no universo
Geralmente a REM é mais facilmente detectada que a radiação na forma de
partículas. A REM interage rapidamente com os elétrons fazendo sua presença ser
conhecida
Partículas carregadas são mais facilmente detectáveis porque as suas cargas
também interagem com os elétrons. Os neutrons tendem a ser simplesmente
transmitidos através da matéria
Modelo corpuscular
A energia se propaga através da emissão de um fluxo de partículas
denominadas fotons que viajam à velocidade da luz
Os fotons são também conhecidos como quanta (para todo o espectro
eletromagnético) e se propagariam, segundo Planck, em pulsos e não de forma
contínua a partir da fonte de REM
A energia radiante se transfere de um corpo em quantidades fixas
E=h.f
onde
E = energia (J)
h = constante de Planck (6.626 x 10-34 J.s ou W.s2);
f = frequência (Hz)
A energia é diretamente proporcional à frequência
Propriedades da REM
Duas propriedades da REM são particularmente importantes:
Comprimento de onda (λ) e frequência (f)
Propriedades da REM
Comprimento de onda (λ) é o comprimento de um ciclo de onda, o qual pode
ser medido pela distância entre duas sucessivas cristas ou cavados.
É medido em unidade de metros (m) ou fatores do metro como o nanometro
(nm, 10-9 m), micrometro (µm, 10-6 m) ou centímetros (cm, 10-2 m)
Frequência (f) é o número de vezes (ciclos) que uma determinada onda
passa por um ponto fixo por unidade de tempo
É medida em unidades de ciclos por segundo (ciclos/s) ou Hertz (Hz)
Propriedades da REM
λ (m) e f (Hz) são relacionados da seguinte forma:
c=λ.f
onde
c = velocidade da luz (3 x 108 m/s)
Modelo corpuscular
Substituindo [2] em [1] temos que
E = hc/ λ
A energia é inversamente proporcional ao comprimento de onda
Modelo ondulatório
Segundo o modelo ondulatório, a REM é composta de um campo elétrico que varia
em magnitude numa direção perpendicular àquela em que a radiação se propaga e
de um campo magnético orientado perpendicularmente ao campo elétrico e à direção
de propagação
O espectro eletromagnético
Denota a distribuição da REM com respeito ao comprimento de onda ou frequência
O espectro de irradiação solar
Absorção atmosférica seletiva
Absorção atmosférica seletiva
A absorção é o processo pelo qual a
energia radiante é absorvida e
convertida em outras formas de
energia
A atmosfera absorve parte da energia
que chega ao topo da atmosfera ao
longo do caminho óptico devido à
interação da REM com os gases
presentes na atmosfera
A Terra também absorve uma parte
dessa radiação que é posteriormente
re-emitida em comprimentos de onda
mais longos
Vantagens do Sensoriamento Remoto
O sensoriamento remoto é não-intrusivo, no sentido se o sensor
coletar a REM emitida ou refletida pelo alvo sem afetar o seu estado
presente
Os sensores podem ser programados para coletar dados
sistematicamente sobre um determinado alvo. Essa coleta sistemática
remove o viés presente em muitas das coletas de campo tradicionais
Vantagens do Sensoriamento Remoto
Sob condições controladas, os dados de sensoriamento remoto
podem ser usados para estimar variáveis geofísicas ou biofísicas
como, por exemplo, posição, altura ou profundidade, temperatura,
biomassa, concentração de clorofila, concentração de sedimentos,
umidade do solo etc
Dados de sensoriamento remoto são atualmente críticos para a
modelagem de processos naturais (mudanças climáticas,
eutrofização, desertificação, desastres naturais etc) ou causados pelo
homem (desflorestamento, poluição, expansão urbana, deslizamentos
etc)
Limitações do Sensoriamento Remoto
A grande limitação é que o sensoriamento remoto é frequentemente
entendido como a solução ideal
O usuário final de dados de sensoriamento remoto normalmente o entende
como uma solução rápida e barata de obter informação, pois não pensa
nos custos envolvidos na pesquisa espacial para o desenvolvimento de
tecnologias, lançamento de satélites e manutenção dos programas de
Observação da Terra
Limitações do Sensoriamento Remoto
Os dados de sensoriamento remoto devem ser sempre usados
considerando as escalas de tempo e espaço dos processos a serem
investigados
Os dados de sensoriamento remoto necessitam de calibração
anterior e posterior ao lançamento do sensor
Alguns sensores que emitem radiação na direção do alvo com
grande potência (RADAR, SONAR, LIDAR etc) podem ser intrusivos e
afetar o alvo
Valor agregado e serviços
Os modos de aquisição de informação
Energia solar refletida
O sensor detecta a radiação solar que é refletida pelos objetos na Terra
Os modos de aquisição de informação
Energia terrestre emitida
O sensor detecta a radiação terrestre que é emitida pelos objetos na Terra após
terem absorvido a radiação solar
Os modos de aquisição de informação
Energia de fonte artificial refletida
O sensor detecta a radiação de fonte artificial que é emitida na direção dos
objetos e então refletida de volta ao sensor
Sistemas de Observação da Terra
O planeta, as plataformas e os sensores
Sistemas de Observação da Terra: o planeta
Sistemas de Observação da Terra: o planeta
Nosso planeta tem um comportamento dinâmico
Um dos grandes benefícios dos sistemas de Observação da Terra é,
justamente, prover dados para que se estudem as mudanças que ocorrem no
planeta
Essas mudanças ocorrem em diferentes escalas de tempo e espaço
Os sistemas de Observação da Terra devem ser configurados de maneira a
poder captar a dinâmica do planeta nas escalas de estudo
A maior parte dos satélites empregados para a Observação da Terra são os
chamados de satélites ambientais e os satélites meteorológicos
Sistemas de Observação da Terra: o planeta vivo
Componentes do sistema planeta vivo
Hidrosfera
Atmosfera
Criosfera
Geosfera
Biosfera
Sistemas de Observação da Terra: o planeta vivo
Sistemas de Observação da Terra: o planeta vivo
1973
1991
1999
Sistemas de Observação da Terra: o planeta vivo
Fonte: Escada et al. (2005). O avanço do desmatamento da Amazônia no contexto das novas
fronteiras. INPE/GEOMA/PRODES 2005.
Sistemas de Observação da Terra: o planeta vivo
Sistemas de Observação da Terra: o planeta vivo
Sistemas de Observação da Terra: o planeta vivo
Sistemas de Observação da Terra: o planeta vivo
Sistemas de Observação da Terra: plataformas e sensores
satélite ENVISAT
Sistemas de Observação da Terra: plataformas e sensores
Sistemas de Observação da Terra: plataformas e sensores
satélites europeus
satélite Jason
Sistemas de Observação da Terra: plataformas e sensores
satélite ERTS
satélite Landsat 4 e 5
Sistemas de Observação da Terra: plataformas e sensores
satélite Landsat 7
Sistemas de Observação da Terra: histórico
Uso militar: o reconhecimento de alvos
militares via fotografia aérea começou antes
da Primeira Guerra Mundial com a utilização
de balões
Corrida espacial: Após a Segunda Guerra
Mundial, ambos programas russo e
americano buscam o domínio da tecnologia
de mísseis balísticos, espaçonaves e de
reconhecimento militar (visível, IV e
RADAR)
Década de 1960: as primeiras missões
espaciais tripuladas servem para reforçar o
potencial do SR para o monitoramento da
Terra: fotografia aérea passa a ser
substituída por imageamento digital
Visada oblíqua do Arizona e Golfo da
Califórnia, Foguete Viking (V2), 1947
Satélite da série TIROS, primeiros
satélites meteorológicos americanos
lançados a partir de 1960
Sistemas de Observação da Terra: histórico
Gemini 4
Apolo 9
Sistemas de Observação da Terra: histórico
Niveis de aquisição de dados
Solo ou Laboratório
utilizando o sensor (radiômetros, fotômetros, GPS etc) no campo ou no
laboratório
Niveis de aquisição de dados
Solo ou Laboratório
utilizando o sensor (radiômetros, fotômetros, GPS etc) no campo ou no
laboratório
Fonte: Steffen (1996)
Niveis de aquisição de dados
Aéreo
utilizando o sensor numa plataforma aérea: avião, balões etc
Niveis de aquisição de dados
Aéreo
utilizando o sensor numa plataforma aérea: pombos?
Niveis de aquisição de dados
Aéreo
Niveis de aquisição de dados
Orbital
utilizando o sensor a bordo de satélites
Sistemas sensores
Passivo
Utiliza como fonte de REM o sol, a Terra ou alguma fonte artificial independente
Sistemas sensores
Ativo
Utiliza sua própria fonte para iluminar o alvo
Parâmetros da varredura
Varredura do ASAR/ENVISAT
Varredura do VEGETATION/SPOT
Órbitas dos satélites
Na órbita
rbita heliossíncrona
helioss ncrona,
ncrona a direção de
rotação do plano orbital e o período
(ângulo de rotação por dia) são os mesmos
do período orbital da Terra
n O plano orbital do satélite leva um ano
para completar uma revolução e tem a mesma
orientação do Sol. Olhando a Terra desde o
satélite nesta órbita, a luz solar estará
sempre vindo desde o mesmo ângulo
n
Órbitas dos satélites
Na órbita
rbita geoestacionária
geoestacion ria o satélite permanece sobre o mesmo ponto em
relação à Terra ao longo do tempo. A órbita é circular e a inclinação é
zero (sobre o Equador). O satélite está a 36000 km de altura e desenvolve
um período orbital de 24 h, o mesmo da Terra.
n
Satélites e sensores
satélite
LANDSAT
operação
1972-2003
sensores
MSS
TM
ETM+*
bandas
6 bandas 0.5-12.6 µm
7 bandas 0.45-2.35 µm
8 bandas 0.45-2.35 µm
resolução
79-237 m
30-120 m
15-60 m
SPOT
1986-
HRVIR*
VEGETATION
5 bandas 0.43-1.75 µm
4 bandas 0.43-1.75 µm
10-20 m
1000 m
IKONOS
1999-
5 bandas 0.45-0.90 µm
0.82-4 m
QuickBird
2001-
5 bandas 0.45-0.90 µm
0.61-2.44 m
quick-look*
Satélites e sensores
satélite
CBERS
operação
1999-
sensores
WFI
Câmera CCD*
IR-MSS
bandas
2 bandas 0.63-0.90 µm
5 bandas 0.45-0.89 µm
4 bandas 0.50-12.5 µm
resolução
260 m
20 m
80 m
TIROS-N
NOAA
1978-
AVHRR*
AMSU-A
AMSU-B
HIRS/3
SEM/2
5 bandas 0.58-12.5 µm
1.1 km
GOES
1975-
Imager*
Sounder
SEM
5 bandas 0.55-12.5 µm
19 bandas 0.7-14.71µm
1-8 km
METEOSAT,
MSG*
1977-
3 bandas 0.45-12.5 µm
12 bandas 0.6-13.4 µm
quick-look*
Satélites e sensores
satélite
ERS-1, ERS-2
operação
1991-
sensores
ATSR*
SAR
Escaterômetro
Altímetro
MW sounder
GOME
SAR*
OPS
bandas
7 bandas 0.55-12 µm
5.3 GHz (Banda C)
5.3 GHz (Banda C)
13.8 GHz (Banda Ku)
resolução
1 km
30 m
45 m
JERS-1
1992-1998
1.2 GHz (Banda L)
7 bandas vis-IR, 1 estereo
18 m
18 m
RADARSAT
1995-
SAR*
5.3 GHz (Banda C)
9-100 m
ENVISAT
2002-
ASAR*
MERIS
AATSR
GOMOS
DORIS
MIPAS
5.3 GHz (Banda C)
15 bandas 0.41-0.90 µm
7 bandas 0.55-12 µm
300 m
1 km
quick-look*
Satélites e sensores
satélite
EOS Terra
operação
1999-
sensores
MODIS
ASTER*
CERES
MISR
MOPITT
bandas
36 bandas 0.40−14.38 µm
14 bandas 0.52-11.65 µm
3 bandas 0.3-50 µm
resolução
0.25 - 1 km
15 – 90 m
EOS Aqua
2002-
1992-
36 bandas 0.40−14.38 µm
6 (12) bandas 6.9-86 GHz
15 bandas 50-89 GHz
3 bandas 0.3-50 µm
2300 bandas 0.4-15.4 µm
5 bandas 150-183 MHz
2 bandas 5.3-13.6 GHz
3 bandas 18-37 GHz
1 banda 13.65 GHz
0.25 - 1 km
TOPEXPoseidon
MODIS*
AMSR-E
AMSU-A1,A2
CERES
AIRS
HSB
Altímetro*
TMR
SSALT
Jason-1
2001-
Altímetro*
JMR
2 bandas 5.3-13.6 GHz
3 bandas 18-37 GHz
0.025 m
0.025 m
quick-look*
Satélites e sensores
satélite
GRACE (Twins)
operação
2002-
sensores
bandas
MW radiometer Banda K
GPS
SeaStar
(OrbView)
1997-
Sea-WiFS*
8 bandas 0.41-0.86 µm
1.1 km
SSM
1987-
TRMM
1997-
TMI*
PR
VIRS
CERES
LIS
5 bandas 10.7-85.5 GHz
25 km
4 km
2 km
5 bandas 0.63-12 µm
3 bandas 0.3-50 µm
resolução
quick-look*
Satélites e sensores
satélite
QuikScat
operação
1999-
sensores
bandas
Escaterômetro 13.4 GHz
ADEOS
(Midori)
1996-
AMSR
GLI*
NSCAT
Space Shuttle
1994-1997
SIR-C/X-SAR*
SRTM
SeaSat
1978
SAR*
1.2 GHz (Banda L)
Escaterômetro
Altímetro
Radiômetro
Vis-IR
13.4 GHz
Bandas L,C,X
resolução
25 km
quick-look*
Satélites e sensores
satélite
Nimbus-7
operação
1978-1986
sensores
CZCS
SMMR
CORONA,
ARGON,
LANYARD
1959-1972
Câmera
fotográfica
pancromática
KH-7,
KH-9
1963-1980
Câmera
fotográfica
pancromática
IRS
1995-
WiFS*
LISS-3
PAN
bandas
6 bandas 0.43-12.5 µm
resolução
825 m
3 bandas 0.62-1.75 µm
4 bandas 0.45-0.86 µm
1 banda 0.5-0.75 µm
188 m
23 m
5.3 m
quick-look*
Bandas espectrais do Landsat
Landsat 1-3 Landsat 4-5
Multispectral
Scanner
(MSS)
Landsat 4-5
Thematic
Mapper
(TM)
Banda 1
Banda 2
Banda 3
Banda 4
Banda 5
Banda 6
Banda 7
comprimento
de onda (µm)
0.45-0.52
0.52-0.60
0.63-0.69
0.76-0.90
1.55-1.75
10.40-12.50
2.08-2.35
Banda 4
Banda 5
Banda 6
Banda 7
Banda 8
(Landsat 3)
resolução
(metros)
30
30
30
30
30
120
30
Banda 1
Banda 2
Banda 3
Banda 4
não
disponível
comprimento
de onda (µm)
resolução
(metros)
0.5-0.6
0.6-0.7
0.7-0.8
0.8-1.1
80
80
80
80
10.4-12.6
237
Landsat 7
Enhanced
Thematic
Mapper
Plus
(ETM+)
Banda 1
Banda 2
Banda 3
Banda 4
Banda 5
Banda 6
Banda 7
Banda 8
comprimento
resolução
de onda
(metros)
(µm)
0.45-0.52
30
0.53-0.61
30
0.63-0.69
30
0.78-0.90
30
1.55-1.75
30
10.40-12.50
60
2.09-2.35
30
0.52-0.90
15
Bandas espectrais do SPOT
BANDA
comprimento
de onda (µm)
B0 (azul)
0.43-0.47
B1(verde)
0.50-0.59
P (pancromática)
0.51-0.73
B2 (vermelho)
0.61-0.68
B3 (IV próximo)
0.79-0.89
B4 (SWIR)
1.58-1.75
cobertura global a cada
HRVIR
resolução
(metros)
não disponível
20
10
20
20
20
26 dias
VEGETATION
resolução
(metros)
1000
não disponível
não disponível
1000
1000
1000
1 dia
Modo XS – Multiespectral (SPOT 1,2,3): bandas B1, B2, B3
Modo P – Pancromático (SPOTS 1,2,3): banda P
Modo M – Monoespectral (SPOT 4): banda B2
Modo Xi – Multiespectral (SPOT 4): bandas B1, B2, B3, B4
Bandas espectrais do AVHRR-NOAA
Advanced
Very
High
Resolution
Radiometer
(AVHRR)
bandas
1
2
3
4
5
comprimento
de onda (µm)
NOAA-6,8,10
0.58-0.68
0.725-1.00
1.58-1.64
10.5-11.5
não disponível
comprimento
de onda (µm)
NOAA-7,9,11,
12,14,16,17
0.58-0.68
0.725-1.00
3.55-3.93
10.3-11.3
11.5-12.5
resolução IFOV
(km)
(mrad)
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.39
1.41
1.51
1.41
1.30
detector
Silício
Silício
InGaAs/InSb
HgCdTe
HgCdTe
Bandas espectrais do CBERS-1 e CBERS-2
CBERS-2B foi lançado em 2007, com novo sensor de alta resolução – HRC (High Resolution
Camera) de 2,7 m. O IRMSS não está mais a bordo do CBERS.
A imagem de satélite
Composições de bandas
Composição
Composi o colorida de imagens nas bandas BB-G-R
Composição
Composi o colorida falsa cor de imagens nas bandas BB-G-IR
Imagem em composição colorida
Banda TM5
Banda TM4
Banda TM3
Resolução espacial
Tamanho da menor feição no terreno que pode ser detectada separadamente de seu entorno.
Célula de resolução = pixel = área no terreno vista pelo sensor
Dim
inu
içã
Au
od
me
ar
nto
es o
do
luç
t am
ão
anh
es p
od
aci
ep
al
ixe
l
Imagens ópticas e imagens de RADAR
Fly UP