Introdução ao processamento digital de imagens

Introdução ao processamento digital de imagens

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Um dos fatores mais importantes para a escolha da imagem mais adequada a um projeto de levantamento de recursos terrestres Ø a resoluçªo espacial. O Quadro 2 relaciona algumas imagens disponíveis no mercado, a respectiva resoluçªo espacial, e as escalas de trabalho para as quais seriam mais indicadas.

Resoluçªo espectral

A capacidade de discriminaçªo dos materiais da superfície da terra por SR fundamenta-se no comportamento dos mesmos ao longo do espectro eletromagnØtico. Uma premissa fundamental em SR Ø a possibilidade de discriminar materiais pela sua resposta espectral característica em diferentes faixas de comprimento de onda. Diferentes materiais podem ter respostas espectrais semelhantes em um determinado intervalo de comprimento de onda e respostas distintas em outra faixa do espectro. Portanto, quanto maior o nœmero de canais espectrais maior a

Quadro 2 - Escalas de trabalho indicadas por algumas imagens

Sensor Resolução espacial Escala

NOOA/AVHRR 1k m RESURS-01 LANDSAT/MSS LANDSAT/TM SPOT MULTIESP

Detector

Ótica IFOV

Superfície da Terra

Figura 7 - Instantaneous field of view

Características das Imagens de Sensoriamento Remoto________________________19 capacidade discriminatória. A resoluçªo espectral tem a ver com o nœmero e a

finura dos canais espectrais, e Ø definida como a habilidade de separar coisas espectralmente semelhantes.

Resoluçªo radiomØtrica

Os NCs dos pixels sªo representados por nœmeros inteiros que se enquadram dentro de um determinado intervalo. Quanto maior o intervalo entre os NCs mÆximo e mínimo, maior a resoluçªo radiomØtrica. A resoluçªo radiomØtrica refere-se, portanto, aos níveis digitais, representados por níveis de cinza possíveis numa imagem e Ø expressa pelo nœmero de dígitos binÆrios (bits) necessÆrios para armazenar o valor mÆximo de NC dos pixels. Por exemplo, para armazenar 64 níveis sªo necessÆrios 6 bits (26 =64); a resoluçªo de 8 bits (1 byte) permite representar 256 níveis (28 =256).

A resoluçªo radiomØtrica implica diretamente no tamanho dos arquivos de imagem. Para imagens com resoluçªo de 8 bits, Ø necessÆrio um byte para cada pixel. Uma cena inteira do satØlite LANDSAT Ø formada por aproximadamente 41 0 0 pixels (6 200 linhas por 6 600 colunas), resultando um arquivo de aproximadamente 41 Mb.

Resoluçªo temporal

Refere-se à freqüŒncia com que o sensor imageia uma determinada Ærea. É tambØm referida como periodicidade ou repetitividade. A resoluçªo temporal do LANDSAT/TM Ø de 16 dias, enquanto a resoluçªo temporal do SPOT Ø de 26 dias.

A repetitividade Ø geralmente considerada em relaçªo à posiçªo de nadir, ou seja, a tomada da cena verticalmente abaixo do sensor. Os sensores com capacidade de imageamento lateral, formando um certo ângulo com a vertical, portanto, fora da posiçªo de nadir, apresentam a possibilidade de repetir o imageamento de uma certa Ærea em um tempo menor do que em posiçªo de nadir. Esta propriedade do sensor Ø referida como capacidade de revisita.

Classificaçªo dos sensores

Usualmente os dados de sensoriamento remoto referemse a dados da superfície da terra coletados por sistemas sensores em satØlites ou aviıes. O sensor pode ser definido como um equipamento capaz de transformar alguma forma de energia em sinal que possa ser convertido em informaçªo sobre o objeto sensoriado. No caso específico do SR a energia utilizada Ø a radiaçªo eletromagnØtica.

Os tipos de sensores podem ser classificados de acordo com: a) a fonte de energia; b) a regiªo do espectro em que operam; e c) o tipo de transformaçªo sofrida pela radiaçªo detectada.

Sistemas sensores

Quadro3-T ipos de sensores

Critérios de classificação Sensor

Fonte de energia Passivos Ativos

Região espectral ópticos refletivos (0,38 - 3 m)

Sistema de captação dos dados fotográficos eletroópticos não-imageadores

22______________________________Introduçªo ao processamento digital de imagens

Fonte de energia

Sensor passivo Ø aquele que depende de uma fonte de radiaçªo externa para poder operar. Enquadram-se nesta classificaçªo todos os sensores que captam a radiaçªo solar. Os sensores ativos sªo os que produzem sua própria radiaçªo. Enquadram-se nesta categoria os sensores à base de radar.

Regiªo espectral

Quanto à regiªo espectral os sensores sªo classificados como ópticos ou de microondas.

Espectro óptico refere-se ao intervalo de 0,38 a 15 µm, no qual as radiaçıes podem ser coletadas por sistemas ópticos. O sensoriamento remoto óptico Ø aquele relacionado com duas categorias de radiaçªo da superfície da terra: (a) a que incide nela e Ø absorvida ou refletida; e (b) a que Ø emitida por ela. Considera-se fluxo solar refletido a radiaçªo no intervalo de 0,38 µm a 3 µm e fluxo termal para os comprimentos de onda entre 7 e 15 µm (Figura 8). Com base nestas características os sensores ópticos sªo classificados como refletivos ou termais.

Os Sistemas de

Microondas sªo sensores ativos à base de ondas de radar que operam na faixa das microondas. Possuem a importante vantagem de nªo serem afetados pela cobertura de nuvens e pelas condiçıes atmosfØricas, sendo por isso de fundamental importância em SR de recursos naturais, principalmente nas regiıes tropicais. Sªo sensores ativos que podem operar 24 horas por dia.

Sistemas de captaçªo dos dados

Sistemas fotogrÆficos

Sªo câmeras fotogrÆficas que possuem dispositivos para sincronizar o movimento do filme com o deslocamento do aviªo.

Os sensores fotogrÆficos tiveram uma papel fundamental no desenvolvimento do sensoriamento remoto jÆ que as fotografias aØreas tomadas atravØs de sobrevôos especiais foram as primeiras e, atØ recentemente, as ferramentas

Espectro óptico

Refletivo Termal ou emissivo visível IV próximo IV médio IV distante

Figura 8 - Espectro óptico

Fonte: Swain e Davis, 1978.

mais utilizadas para os levantamentos cartogrÆficos e de recursos naturais e para o planejamento urbano e regional.

Entretanto, o advento de sensores orbitais com alta resoluçªo espacial e espectral tende a mudar este quadro. Os sistemas fotogrÆficos atuam apenas numa parte restrita do espectro EM, entre o ultravioleta e o infravermelho próximo e nªo sªo utilizados nos sensores orbitais. Estes possuem uma repetitividade de imageamento, enquanto as fotografias aØreas necessitam de programas especiais de sobrevôo. AlØm disso, as fotografias aØreas necessitam de mais manuseio para corrigir os deslocamentos off-nadir e os erros devidos à instabilidade do aviªo.

Sistemas eletroópticos

Nestes os dados sªo registrados na forma de sinal elØtrico. Possuem dois componentes bÆsicos: o sistema óptico e o detector. O sistema óptico tem a funçªo de focalizar a energia proveniente da cena sobre o detector. A energia recebida pelo detector Ø entªo transformada em sinal elØtrico, que por sua vez Ø processado, transformado em valor digital e disposto numa matriz de colunas e linhas.

Existem trŒs tipos de imageadores eletroópticos: sistema de quadro, de varredura mecânica e de varredura eletrônica.

Sistema de quadro (Frame System)

A imagem da cena inteira Ø coletada de forma instantânea. Os sensores de quadro sªo tambØm conhecidos como vidicons e tiveram origem a partir de sistemas de televisªo. A imagem Ø formada por tubo fotocondutivo (tubos de raios catódicos) que Ø varrida por um feixe de elØtrons e transformada em um conjunto de sinais elØtricos. Exemplo: o RBV -Return Beam Vidicon- do Landsat-1,2 e 3.

Sistema de varredura mecânica

(Eletromechanical Scanner)

Sistema que utiliza um espelho de varredura que oscila perpendicularmente ao deslocamento da plataforma, transmitindo a reflectância dos materiais para o sistema óptico e o detector. Os sinais sªo registrados linha a linha para formar a imagem (Figura 10.B). Exemplo: MSS e TM do LANDSAT.

Sistema de varredura eletrônica (Pushbroom Scanner)

Utiliza um arranjo linear de detectores amplificados por lente grande-angular, o qual cobre toda a seçªo perpendicular à faixa imageada. (Figura 10.A) O arranjo de detectores Ø organizado de modo que haja tantos detectores quanto forem os elementos da linha, de modo que a reflectância de cada pixel Ø regis- filme obturador

Sistema de lentes ediafragma objetiva filtro

Figura 9 - Sistema fotográfico

24______________________________Introduçªo ao processamento digital de imagens trada por um detector. Desta forma, os dados de cada linha sªo captados simultaneamente pelo conjunto de detectores e a imagem Ø formada atravØs do processo de varredura causado pelo deslocamento da plataforma. Este sistema Ø utilizado pelo SPOT.

Sistemas nªo-imageadores

Sªo os aparelhos que detectam a radiaçªo na forma pontual e nªo tem capacidade para formar imagens. Fazem parte desta categoria os radiômetros e espec- troradiômetros

Plataformas orbitais

Os sensores sªo instalados em plataformas orbitais projetadas para finalidades específicas. As principais sªo:

• de observaçªo da Terra;

• meteorológicas;

• de uso militar;

• de posicionamento geodØsico (GPS).

faixa imageada detector sistema óptico

A - Varredura eletrônica B - Varredura mecânica faixa imageada espelho lentes detector

Figura 10 - Sistemas de varredura eletrônica e mecânica

Modificado de Mather, 1987.

Quadro 4 - Comparação entre os dois sistemas de varreduras

Varredura eletrônica Varredura mecânica

- menor e mais leve, requer menos potência para operar

- não necesita de espelho móvel e fornece dados com melhor fidelidade geométrica

- melhor desempenho sinal-ruído

- capacidade de operar nas regiões além do infravermelho próximo

Tipos de orbita superfície da terra.

a linha do equador.

mantØm um ângulo constante entre o Sol, a Terra e o satØlite, o que garante condiçıes semelhantes de iluminaçªo nas Æreas de mesma latitude. Cruzam sempre o equador no mesmo horÆrio solar.

Evoluçªo dos sistemas sensores

Das fotografias aØreas aos foguetes

Atribui-se a Wilbur Wright a primeira utilizaçªo de fotografias aØreas, em 1909. Em 1930, com o aperfeiçoamento dos processos de revelaçªo e copiagem, os Estados Unidos, Alemanha e CanadÆ realizaram as primeiras coberturas sistemÆticas completas de seus territórios.

Durante a 2a Guerra Mundial houve um desenvolvimento expressivo das tØcnicas de sensoriamento remoto. As fotografias aØreas foram aperfeiçoadas, surgiram a fotografia colorida e as películas infravermelhas (usadas na detecçªo de camuflagem) e começaram-se a utilizar sensores à base de radar. Neste período foram tambØm desenvolvidos foguetes com propósitos bØlicos.

O período da Guerra Fria foi marcado pela corrida espacial. Os foguetes foram utilizados por especialistas russos e americanos, como plataformas para instrumentos científicos, para sondagem de camadas superiores da atmosfera. Este foi o início dos programas espaciais de pesquisa. Os avanços no desenvolvimento de foguetes permitiu que eles pudessem ser utilizados para colocar satØlites artificiais em órbita, a centenas de quilômetros da terra. O primeiro satØlite artificial - Sputnik 1 - foi lançado pela URSS, em 1957.

Em 1954, foram desenvolvidos sistemas de radares imageadores (Forward-

Looking Radar). Em 1961, foram fabricados os primeiros radares de visada lateral (SLAR).

O lançamento do primeiro satØlite meteorológico (TIROS), em 1960, marcou o início das observaçıes orbitais sistemÆticas da Terra. Este satØlite usava um sistema de câmara de televisªo de resoluçªo relativamente baixa. O œltimo satØlite da sØrie, o TIROS-10, foi lançado em 1965.

AtØ 1966, o desenvolvimento de aparelhos de SR se deu principalmente no âmbito militar. Mas neste ano, um imageador infravermelho termal foi criado com características que escapou da classificaçªo de segurança pelo MinistØrio da Defesa dos Estados Unidos. A partir daí, começaram os serviços comerciais de sensoriamento remoto.

De 1960 a 1970, foram obtidas fotografias orbitais a partir de trŒs programas espaciais da NASA: os programas Mercury, Gemini e Apollo. Estas missıes serviram para demonstrar a viabilidade do imageamento orbital e necessidade de mØtodos multiespectrais, tendo servido de base para o projeto ERTS - Earth Resources Technology Satellite Program (mais tarde denominado LANDSAT).

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Em 1970, realizou-se recobrimento sistemÆtico de todo o território brasileiro com imagens de radar. As imagens foram obtidas atravØs de sobrevôos, com o sistema SLAR - Side Looking Airborne Radar - a partir dos quais foram compostos mosaicos na escala 1:250 0. Estas imagens serviram de base para o mapeamento sistemÆtico (1:1 0 0) de cartografia, geologia, geomorfologia, pedologia e vegetaçªo de todo o Território Nacional realizados pelo PROJETO RADAMBRASIL.

Sensores de baixa resoluçªo espacial

Os satØlites para observaçıes meteorológicas da sØrie TIROS - Television and Infra-red Observation Satellite - foram lançados entre 1960 e 1965. A partir de 1970, os sucessores passaram a chamar-se NOAA - National Ocean and Atmosphere Administration -, entidade que assumiu a administraçªo do Programa. As principais aplicaçıes sªo na meteorologia, temperatura da superfície do mar, coberturas de gelo e neve e estudos das condiçıes das vegetaçªo global. Os programas TIROS e NOAA foram beneficiados pelas pesquisas desenvolvidas pelo programa NIMBUS, uma sØrie de oito plataformas lançadas entre 1964 e 1978 para pesquisa de instrumentos espaciais usados em satØlites.

O sensor AVHRR - Advanced Very High Resolution Radiometer -, a bordo do

NOAA, pode ser utilizado para estudos de recursos naturais de escala continental, especialmente para o monitoramento de desmatamento e queimadas na Amazônia.

Nos satØlites NOOA mais recentes outros sensores foram introduzidos para monitorar a distribuiçªo de ozônio na atmosfera.

Quadro 5 - Características do AVHRR órbita quase-polar/sol sincrona altitude 833-870 km resolução espacial 1.1 km (nadir) resolução radiométrica 10 bits (1 024 níveis) abertura angular +/- 56º faixa imageada 3 0 km ciclo de repetitividade 12 horas

Quadro 6 - Aplicações do Sensor AVHRR

Canal Faixa espectral Função 1 2 mapeamento diurno de nuvens água, vegetação e agricultura nuvens, temperatura da superfície do mar, queimadas e atividades vulcânicas mapeamento (diurno e noturno) de nuvens, temperatura do mar, umidade do solo e atividades vulcânicas temperatura do mar e umidade do solo

Sensores de resoluçªo espacial intermediÆria

O LANDSAT da NASA foi o pioneiro entre os programas de SR para recursos naturais. Os sensores sªo o MSS - Multiespectral Scanner -, com 80 metros de resoluçªo espacial e, a partir do LANDSAT-4, o TM - Thematic Mapper -, com 30 metros de resoluçªo espacial. O sensor RBV (Return Beam Vidicon) foi utilizado apenas nos trŒs primeiros satØlites da sØrie.

O LANDSAT-4 apresentou problemas com o sistema de suprimento de energia, o que apressou o lançamento do LANDSAT-5. Este foi programado para um tempo de vida de 3,5 anos, mas estÆ operando atØ hoje (1998).

O LANDSAT-6, lançado em 1993, nªo conseguiu atingir sua órbita e caiu no mar. O LANDSAT-7 estÆ programado para o ano 2000.

Quadro 7 - Cronograma dos satélites LANDSAT Satélite Lançamento Fim de operação Sensor

Jul./1972 Jan./1975 Mar./1978 Jul./1982 Mar./1984

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