Introdução ao processamento digital de imagens

Introdução ao processamento digital de imagens

(Parte 4 de 5)

Comportamento espectral das rochas

Em geral as rochas ricas em sílica (quartzo-feldspÆticas) tendem a apresentar alta reflectância, enquanto as rochas ricas em magnØsio e ferro (mÆficas) caracterizam-se pelas tonalidades escuras causadas pela baixa reflectância. Entretanto a

Quadro 15 - Regiões espectrais próprias ao estudo de propriedades dos solos (segundo Novo, 1992)

Regiões espectrais Propriedades m m m matéria orgânica em solos sem cobertura vegetal conteúdo de composto de ferro férrico conteúdo de composto de ferro ferroso umidade do solo nuvem areia vegetação solo

Comprimento de onda (m m)

Reflectância

Figura 16 - Comparação entre as curvas de reflectância da água, vegetação sadia, solo e areia

Comportamento Espectral dos Materiais _ 39 presença de minerais opacos (ex.: magnetita), diminui substancialmente a reflectância das rochas quartzo-feldspÆticas.

As rochas sedimentares arenosas tendem a apresentar maior reflectância e bandas de absorçªo mais bem definidas do que as argilosas. Os principais constituintes responsÆveis pela resposta espectral das rochas sedimentares sªo o ferro, o carbono orgânico total e as argilas.

Comportamento espectral de Æreas construídas

Nas Æreas construídas verifica-se, para a maioria dos materiais, um ligeiro aumento da reflectância do visível para o infravermelho próximo, sendo que o concreto destaca-se pela reflectância relativamente alta em relaçªo ao asfalto (Figura 17).

CritØrios para seleçªo das imagens

Na hora da seleçªo do sensor e das bandas espectrais para um determinado projeto, dois parâmetros sªo fundamentais: a resoluçªo espacial e a resoluçªo espectral. A resoluçªo espacial estÆ relacionada com a escala de trabalho, enquanto a resoluçªo espectral estÆ relacionada com a capacidade de discriminaçªo dos alvos espectralmente semelhantes. Por isso, o conhecimento da assinatura espectral auxilia na escolha da melhor combinaçªo de canais para a discriminaçªo dos alvos. Quanto maior a gama de opçıes em termos de canais (resoluçªo espectral) maior serÆ a capacidade discriminatória do sensor. Algumas aplicaçıes dos canais espectrais do LANDSAT/TM sªo descritas no Quadro 17.

A Figura 18 ilustra a abrangŒncia espectral dos sensores SPOT nos modos multiespectral e pancromÆtico e LANDSAT/TM e a relaçªo inversa entre a resoluçªo espacial e a resoluçªo espectral destes trŒs sensores. A resoluçªo espectral pode ser decisiva para a capacidade discriminatória de muitos alvos, devendo ser levada em consideraçªo no momento da aquisiçªo das imagens. Portanto, o analista deve balancear o maior poder discriminatório da resoluçªo espectral

Quadro 16 - Regiões do espectro indicadas para estudos das rochas e dos minerais (segundo Novo, 1992)

Região do espectro Propriedades m m m m m identificação de ferro indicação de zonas de alteração hidrotermal ricas em argila identificação de minerais de argila detecção de minerais com presença de hidroxilas na estrutura

Reflectância

% Grama

Concreto

Areia Cascalho

Terreno baldio

Asfalto

Figura 17 - Comportamento espectral das feições urbanas/suburbanas

Adaptação de ASP, 1983, in Viadana, 1995.

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SPOT MULTIESPECTRAL Res.: 20 m

LANDSAT TM Res.: 30 m

Figura 18 - Resolução de espectral dos sensores SPOT e LANDSAT/TM

Banda Faixa espectral Aplicações

(IV próximo) m

(IV médio) m

(IV distante) m

(IV médio) m

Estudos de sedimentos na água Mapeamento de águas costeiras Diferenciação solo/vegetação

Estradas e áreas urbanas Mapeamento de vegetação (maior reflectância dos canais do visível)

Estradas e áreas urbanas Espécies vegetais (absorção da clorofila)

Levantamento da biomassa (pico da vegetação sadia) Delineação de corpos d’água

Mapeamento de rios e corpos d’água Umidade da vegetação e solos

Estresse térmico em vegetação Propriedades termais dos solos e rochas

Estudos de rochas e minerais Umidade do solo e vegetação

Quadro 17 - Algumas aplicações das bandas do LANDSAT/TM do LANDSAT/TM com a melhor resoluçªo espacial do SPOT, para, em funçªo da escala e objetivos do projeto, fazer a melhor seleçªo das imagens.

Um dos principais objetivos do PDI Ø a melhoria da qualidade visual da imagem para facilitar a interpretaçªo. Para isso sªo utilizadas tØcnicas denominadas genericamente de realces. Os realces mais utilizados sªo produzidos atravØs da manipulaçªo do contraste.

Histogramas de imagens

O histograma Ø uma representaçªo grÆfica da freqüŒncia de distribuiçªo dos NCs de uma imagem. No histograma, o eixo X representa os NCs, cujo intervalo de valores depende da resoluçªo radiomØtrica da imagem, enquanto o eixo Y representa a freqüŒncia relativa dos NCs.

A maioria das imagens produzem histogramas unimodais, com distribuiçªo normal (gaussiana) ou lognormal. Entretanto, cenas

Manipulaçªo do contraste

Níveis de cinza 0 255

% Freqüência

Figura 19 - Histograma de uma imagem

A altura da barra mostra a freqüência dos pixels com um determinado nível de cinza.

42______________________________Introduçªo ao processamento digital de imagens com Æreas espectralmente muito distintas poderªo produzir histogramas bimodais ou multimodais.

Contraste e brilho da imagem

O contraste da imagem refere-se à distribuiçªo dos NCs no intervalo radiomØtrico. Para um determinado sensor, o contraste depende da assinatura espectral dos objetos presentes na cena imageada e varia com o comprimento de onda (canal). Geralmente, os valores registrados pelo sensor ocupam uma pequena parte do intervalo possível de valores. Vamos exemplificar assumindo uma resoluçªo de oito bits, ou seja, um intervalo de NC de 0 a 255. Se, para um determinado canal espectral, a cena incluir tanto materiais de baixa quanto de alta radiância, os NCs ocuparªo uma faixa larga do intervalo radiomØtrico (por exemplo, 24 a 210), denotando um alto contraste. Se, por outro lado, na cena existirem apenas materiais de baixa radiância neste canal, esta imagem aparecerÆ escura. Os NCs estarªo concentrados num pequeno intervalo (16 a 74, por exemplo), denotando um baixo contraste.

A forma do histograma e os parâmetros estatísticos fornecem informaçıes sobre o contraste e o brilho da imagem. O contraste Ø diretamente proporcional ao espalhamento dos níveis de cinza, que Ø dado pela largura da base do histograma. Estatisticamente Ø expresso pela variância. O brilho dos pixels Ø dado pela posiçªo das barras verticais mais à direita (brilho alto) ou mais à esquerda (brilho baixo). A mØdia pode ser o parâmetro estatístico indicativo do brilho da imagem. Os histogramas unimodais de baixo contraste com mØdia baixa indicam predominância de materiais de fraca radiância, resultando imagens de baixo brilho. A mØ- dia alta, ao contrÆrio, representa imagem de alto brilho (Figura 20).

Realces de contraste

Os níveis de cinza de uma imagem podem ser manipulados com o objetivo de melhorar a visualizaçªo da cena e aumentar a quantidade de informaçªo que pode ser extraída visualmente. Estas tØcnicas sªo chamadas de realces de contraste.

Os realces de contraste produzem uma ampliaçªo do intervalo original de níveis de cinza, de forma que eles sªo exibidos num intervalo maior. O objetivo Ø apresentar a mesma informaçªo contida nos dados brutos,

% a) Cena com baixa radiância c) Cena de baixo contraste d) Cena de alto contraste b) Cena com alta radiância Nível de cinza

Nível de cinza Nível de cinza

Nível de cinza Figura 20 - Contraste e brilho de imagens

Fonte: Schowengert, 1983.

Manipulaçªo do Contraste _ 43 porØm de uma forma mais claramente visível ao intØrprete. No exemplo da Figura

21, os NCs originais, concentrados no intervalo de 63 a 191, sªo remapeados de forma que o NC 63 Ø convertido para 0 e o NC 191 Ø convertido para 255 e os valores intermediÆrios sªo redistribuídos segundo alguma funçªo matemÆtica. Desta forma, todo o intervalo possível de valores Ø utilizado para aumentar o contraste e conseqüentemente melhorar a aparŒncia da imagem.

O realce Ø executado atravØs de uma funçªo matemÆtica, chamada de funçªo de transferŒncia de contraste (FTC) ou funçªo de mapeamento, que transforma os valores originais de níveis de cinza da imagem em novos valores, implicando uma alteraçªo do histograma. A FTC pode ser linear (representada graficamente por linha reta) ou nªo-linear (representada por algum tipo de curva).

Nos sistemas de processamento de imagens os realces sªo implementados atravØs de tabelas denominadas de LUT - Look-up Tables, as quais armazenam a informaçªo sobre os valores originais (entrada) e transformados (saída) para cada NC, segundo a FTC escolhida. No exemplo da Figura 21, ao se aplicar a LUT, todos os NCs=63 na imagem de entrada serªo convertidos em NC=0 na imagem de saída, evitando a repetiçªo do cÆlculo para cada pixel da imagem e, portanto, agilizando o processo.

Realce linear

Consiste no aumento do espalhamento dos NCs, segundo uma funçªo linear.

Os NCs da imagem original sªo linearmente redistribuídos, com manutençªo de suas posiçıes relativas.

A FTC linear Ø uma reta e apenas dois parâmetros sªo controlados: a inclinaçªo da reta e o ponto de interseçªo com o eixo X. Quanto maior a inclinaçªo da reta, maior a expansªo do contraste.

Um caso particular de realce linear Ø aquele no qual todo o intervalo de NC Ø considerado, ou seja, o menor valor de NC da imagem (NCmin) Ø convertido a zero e o maior valor (NCmax) Ø convertido a 255. Este Ø denominado realce MinMax (Figura 23). O mais comum, entretanto, Ø desprezar os extremos dos histogramas, de modo a realçar mais a porçªo central. Neste caso, para valorizar mais os NCs mais freqüentes, desprezam-se NCs pouco freqüentes, produzindo overflow.

O overflow Ø a transformaçªo de um intervalo de NC em um œnico NC

(Figura 24). O overflow representa uma perda de informaçªo em benefício de um realce maior da porçªo central do histograma. No realce MinMax nªo hÆ overflow.

N de cinza de entrada o d e cinza de saída

Figura 21 - Representação gráfica de uma FTC linear

Os NCs do intervalo 63-191 são ampliados para o intervalo 0-255.

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NC1

Nível de cinza transformado

Figura 2 - Realce linear

Em a a função f não altera o histograma original b ; em a a função f promove espalhamento representado em b ; em a a função f produz um espalhamento maior que f representado em b

Fonte: Schowengerdt, 1983.

Manipulaçªo do Contraste _ 45

O realce linear por partes (linear piecewise stretch) consiste na aplicaçªo do espalhamento linear, segundo diferentes funçıes ao longo do intervalo radiomØtrico, resultando em dois ou mais segmentos de reta com diferente inclinaçªo.

Realce de equalizaçªo

Uma limitaçªo do realce linear Ø nªo levar em conta a freqüŒncia dos NCs. O realce de equalizaçªo Ø uma funçªo de transferŒncia nªo-linear que leva em conta a freqüŒncia dos níveis de cinza, ou seja, o espalhamento serÆ maior para os NCs mais freqüentes. A transformaçªo do histograma Ø no sentido de uma expansªo (aumento de contraste) dos intervalos centrais e uma compressªo (perda de contraste) dos intervalos laterais.

Realce gaussiano

A característica da distribuiçªo normal ou Gaussiana Ø o histograma na forma de sino, com os dados assim distribuídos em torno da mØdia: 60,7% contidos em um desvio padrªo (σ), 95,45% em dois σ e 9,73% em trŒs σ. O mØtodo visa a enquadrar os dados, segundo uma distribuiçªo gaussiana, tambØm chamada de normalizaçªo do histograma.

NCs originais da imagem

NC da imagem realçada

Figura 23 - Realce minmax

Fonte: PCI, 1997. 255

Histograma de entrada

Histograma de saída

Figura 24 - Overflow

Os NCs do intervalo 15-35 são transformados em 0; Os NCs do intervalo 82-118 são transformados em 255; e O intervalo de 35 a 82 é expandido.

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O aumento do desvio padrªo produz um alargamento da curva de distribuiçªo, com aumento do contraste. O efeito contrÆrio pode ser obtido pela reduçªo do desvio padrªo. Em alguns softwares, a mØdia tambØm pode ser deslocada ao longo do intervalo radiomØtrico, o que permite aumentar ou reduzir o brilho da imagem.

A normalizaçªo do histograma Ø particularmente œtil para equiparar imagens diferentes em termos de mØdia e desvio padrªo, assim como em composiçıes coloridas, para produzir um bom balanceamento das cores das trŒs bandas.

Realce de raiz quadrada

Os níveis de cinza sªo expandidos, segundo a funçªo de raiz quadrada promovendo um aumento do contraste, principalmente, na porçªo inferior do histograma de entrada. Tende a conferir um aumento geral no brilho da imagem.

Realce negativo

Produz a inversªo dos valores de NC: as Æreas escuras tornam-se claras e vice-versa.

Realce de infreqüŒncia

Esta funçªo produz uma imagem de saída na qual os níveis de cinza menos freqüentes recebem valores mais elevados de nível de cinza e vice-versa. A FTC Ø expressa pela inversªo do histograma da imagem de entrada.

Realce logarítmico

A curva de transferŒncia Ø uma funçªo logarítmica, com uma inclinaçªo maior na porçªo relativa aos NCs de baixa intensidade, a qual vai progressivamente tendendo à horizontal nos NCs de alta intensidade. Visa a realçar a informaçªo contida nas porçıes mais escuras de uma imagem, às custas de um baixo realce das porçıes mais claras.

NCs originais da imagem

NC da imagem realçada

Figura 25 - Realce de equalização

A população de maior freqüência é realçada enquanto a população menos freqüente é comprimida.

Fonte: PCI, 1997.

Manipulaçªo do Contraste _ 47

Realce exponencial

Tem um efeito inverso ao do realce logarítmico. A curva de transferŒncia

Ø mais suave nas porçıes inferiores e aumenta progressivamente, realçando as porçıes mais claras da imagem, às custas de menor contraste nas porçıes mais escuras.

Realce parcial (piecewise stretch)

Em algumas anÆlises pode ser necessÆrio examinar certas feiçıes com maior detalhe. AtravØs desta tØcnica pode-se utilizar todo o intervalo para expandir os níveis de cinza que representam uma determinada feiçªo. Na Figura 28 o histograma bimodal pode representar feiçıes aquÆticas (NCs mais baixos) e feiçıes terrestres (NCs mais altos). O realce parcial visa a destacar apenas as primeiras, desprezando, portanto, as informaçıes terrestres.

0 255 (b) Histograma da imagem realçada

Níveis de cinza de entrada

(a) Função de transferência d e cinza de saída

Histograma original

Figura 26 - Realce logarítmico

0 255 (b) Histograma da imagem realçada

Histograma original

0 255 Níveis de cinza de entrada

(a) Função de transferência

Figura 27 - Realce exponencial d e cinza de saída

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NCs originais da imagem

NC da imagem realçada

Figura 28 - Realce parcial

A população 1 (NCs mais baixos) é realçada, enquanto a população 2 (NCs mais altos) é toda convertida para o NC 255.

Fonte: PCI, 1997.

Limiarizaçªo (thresholding)

É uma tØcnica para dividir os níveis de cinza de uma imagem em uma ou duas categorias, acima e abaixo de um determinado patamar. Este Ø um dos vÆ- rios mØtodos para criar uma mÆscara binÆria (bitmap) para a imagem.

Na Figura 29 o histograma da imagem (a) mostra a existŒncia de duas populaçıes cujo limite situase em NC=17. A transformaçªo segundo a funçªo de transferŒncia de contraste (b) reduz uma populaçªo a 0 e a outra a 255. A imagem resultante (c) Ø composta por apenas dois valores e pode tambØm ser representada por uma mÆscara binÆria, com valores de 0 e 1.

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