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Definição de Sensoriamento Remoto
É a ciência de obtenção de informações acerca de um objeto, área oufenômeno, através da análise dos dados obtidos por instrumentos localizados à alguma distância desses alvos e relacionados de alguma maneira com os recursos naturais ou ambiente da Terra.
O efeito mais comumente utilizado para obter essas informações é a energia eletromagnética que emana dos alvos de interesse, podendo ser medida em umaou mais regiões do espectro eletromagnético(bandas espectrais), tais como o visível e o infravermelho(próximo, médio e termal).
Essa energia é registrada por sensores remotos, não imageadores tais comoespectrofotômetros ou espectroradiômetros, ou imageadores tais como câmeras fotográficas, varredores eletro-ótico-mecânicos e radares de visada lateral.
Onda eletromagnética
O campo elétrico e o campo magnético são perpendiculares entre si e ambos oscilam perpendicularmente à direção de propagação da onda, como mostra a figura abaixo, onde E é o campo elétrico e M o campo magnético. A velocidade de propagação da onda eletromagnética no vácuo é a velocidade da luz (3 x 108 m/s). O número de ondas que passa por um ponto do espaço num determinado tempo define a freqüência (f) da radiação. A onda eletromagnética pode também ser caracterizada pelo comprimento de onda (lâmbda).
•Ondas de rádio: baixas freqüências e grandes comprimentos de onda. São utilizadas para comunicação a longa distância. •Microondas: faixa de 1mm a 30 cm ou 3x1011 a 3x109 Hz. Pode-se gerar feixes de radiação eletromagnética altamente concentrados, chamados radares. Por serem pouco atenuados pela atmosfera, ou por nuvens, permitem o uso de sensores de microondas em qualquer condição de tempo. •Infravermelho: grande importância para o Sensoriamento Remoto. Engloba radiação com comprimentos de onda de 0,75 m a 1,0 mm. A radiação I.V. é facilmente absorvida pela maioria das substâncias (efeito de aquecimento). •Visível: Radiação capaz de produzir a sensação de visão para o olho humano normal. Pequena variação de comprimento de onda (380 a 750 nm). Importante para o Sensoriamento Remoto, pois imagens obtidas nesta faixa, geralmente, apresentam excelente correlação com a experiência visual do intérprete. •Ultravioleta: extensa faixa do espectro (10 nm a 400 nm). Películas fotográficas são mais sensíveis à radiação ultravioleta do que a luz visível. Uso para detecção de minerais por luminescência e poluição marinha. Forte atenuação atmosférica nesta faixa, se apresenta como um grande obstáculo na sua utilização. •Raios X: Faixa de 1Ao a 10 nm (1Ao = 10-10 m). São gerados, predominantemente, pela parada ou freamento de elétrons de alta energia. Por se constituir de fótons de alta energia, os raios-X são altamente penetrantes, sendo uma poderosa ferramenta em pesquisa sobre a estrutura da matéria. •Raios-GAMA: são os raios mais penetrantes das emissões de substâncias radioativas. Não existe, em princípio, limite superior para a freqüência das radiações gama, embora ainda seja encontrada uma faixa superior de freqüência para a radiação
conhecida como raios cósmicos.
Espectro Eletromagnético
Espectro eletromagnético
Espectro eletromagnético
Comprimentos de onda óticos
C o m p rim en to s d e o n d a ó t ico s
C o m p rim en to d e o n d a ( m )
0 .3 0 0 .3 8 0 .7 2 1 .3 3 .0 7 .0 1 5 .0
R efle tid oTerm a l o uem iss iv o
IV D ista n teIV M éd io IVP ró x im oV is ív e l
Atmosfera terrestre e sua interação com a radiação solar
Atmosfera terrestre e sua interação com a radiação Solar
Troposfera 15 a 18km (equador), 2 a 8 km (polos) 80% da massa da atmosfera Chuva, vento, nuvens, neblina, neve, etc Temperatura diminui 6 graus a cada 1000 metros Limitada pela Tropopausa que “aprisiona” as moléculas de água
Estratosfera Do final da tropopausa até 30km a partir da superfície Pouco oxigênio e sem umidade Temperatura aumenta com o aumento da altitude devido à absorção da
radiação ultravioleta (UV) pela camada de ozônio Limitada pela Estratopausa
Atmosfera terrestre e sua interação com a radiação Solar
Mesosfera Início logo após a Estratopausa e pode alcançar 80km a partir da
superfície Rica em ozônio. A temperatura continua aumentando, podendo chegar a
10 graus centígrados aos 50km da superfície, voltando a decrescer acentuadamente até atingir –90 graus no topo da camada
Do ponto de vista de SR é importante porque é nela que ocorre a absorção de quase todas as radiações ultravioleta
Limitada pela Mesopausa Ionosfera
Espessura aproximada de 600km Condutividade elétrica alta devido à ionização causada pela radiação
ultravioleta Reflete ondas de rádio (curtas) permitindo comunicação à grandes
distâncias
Atmosfera terrestre e sua interação com a radiação Solar
Exosfera Zona mais externa da atmosfera Chega a 1000km de distância da superfície. Predominância do hidrogênio Temperatura varia de 2000 graus (dia) a –300 (noite)
Quando a radiação solar penetra na atmosfera terrestre, sofre uma forteatenuação devido à reflexão, o espalhamento, e a absorção pelos constituintes atmosféricos, por partículas dispersas e nuvens.
Interações da energia eletromagnética com a atmosfera.
Espalhamento (Scattering) atmosférico é uma difusão aleatória de radiação por partículas na atmosfera.
Espalhamento Rayleigh (molecular)
Ocorre quando a radiação interage com moléculas atmosféricas e outras partículas minúsculas que são muito menores em diâmetro do que o comprimento de onda da radiação.
O efeito do espalhamento Rayleigh é inversamente proporcional a quarta potência do comprimento de onda.
Portanto, existe uma tendência mais forte a este tipo de espalhamento para os comprimentos de onda menores do que para os maiores.
Espalhamento Mie
Ocorre quando o diâmetro das partículas atmosféricas é essencialmente igual ao comprimento de onda da radiação. Vapor d’água e poeira são as maiores causas do espalhamento Mie.
Este tipo de espalhamento tende a influenciar comprimentos de onda maiores do que o espalhamento Rayleigh..
Espalhamento Não-Seletivo
Ocorre quando o diâmetro das partículas atmosféricas são muito maiores do que os comprimentos de onda da radiação.
Gotas de água, por exemplo, causam este tipo de espalhamento por possuirem diâmetros entre 5 e 100 m e espalharem todos os comprimentos de onda do visível e do infravermelho próximo e médio igualmente.
Interações da energia eletromagnética com a atmosfera.Em contraste com o espalhamento, a absorção atmosférica resulta na perda efetiva de energia para os constituintes atmosféricos.
Vapor d’água, dióxido de carbono e ozônio são os constituintes atmosféricos mais eficientes na absorção de energia eletromagnética.
Porque estes gases tendem a absorver energia eletromagnética em específicas bandas do espectro, eles influenciam “onde nos olhamos espectralmente” com qualquer sistema de sensoriamento remoto.Janelas Atmosféricas: são regiões do espectro eletromagnético onde a atmosfera é
particularmente transmissiva a energia eletromagnética.
Interações da energia eletromagnética com a superfície terrestre
E ( ) = E ( ) + E ( ) + E ( )I R A T
E ( ) = E n erg ia re fle tid aR
E ( ) = E ne rg ia tran sm itidaTE ( ) = E n erg ia a bso rv id aA
E ( ) = E ne rg ia in c ide n teI
A radiação emitida ao incidir sobre a superfície de outra matéria pode ser refletida, absorvida ou transmitida. Quando absorvida, a energia é geralmente reemitida, em diferentes comprimentos de onda.
Geometria da energia refletida
A maneira como a energia é refletida depende da rugosidade da superfície dos objetos.
Refletores especulares são superfícies planas que refletem como espelhos, onde o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência.
Refletores difusos (ou lambertianos) são superfícies rugosas que refletem uniformemente em todas as direções.
 n g u lo d e in c id ên c ia
 n g u lo d e re flex ã o
R efle to resp ecu la r
id ea l
R efle to resp ecu la r
q u a se p er fe ito
R efle to rd ifu so q u a se
p er fe ito
R efle to rd ifu soid ea l
(su p er fíciela m b ertia n a )
Resposta espectral dos alvos naturais
Vegetação
Água de R io Turvo
Solo Arg iloso
Solo A renoso
Água de R io Lím pido
C O M P R IM EN TO D E O N D A (M IC R O M E TR O S)
50
40
REFLECTÂNCIA
(% )
30
20
10
0
Visível IV P róxim o.4 .5 .6 .7 .8 .9 1.0 1 .1 1.5 1.6 1 .7 1.8
IV M édio IV M édio IV Term al8.0 9.0 10 .0 11.0 12 .0 13 .0
.5 .6 .7 .8 1.1
4 5 6 7
8.0 12.6
8 (apenas LA N D S AT 3)M SS (LANDS AT 1,2,3,4 e 5)
.45 .52 .6
1 2
.76 .9
3 4 TM (LANDSAT 4 e 5)
1.55 1 .75
5
2.08 2.35
7
10.3 12.5
6
.48 .52 .68 .69 .83
1 2 3 R B V (LAN D SAT 1 e 2)
.51 .75
R B V (LAN D SAT 3 )
X S
P
S PO T
Resposta espectral da vegetaçãoP ig m e n tod a F o lh a
E s tr u tu r ad a C é lu la C o n teú d o d e Á g u a F a to r d o m in a n te
c o n tro la n d o a re f le c tâ n c iad a fo lh a
A b so r ç ã o d eC lo ro f ila
A b so r ç ã o d e Á g u a
B a n d a s p r im á r ia s d e a b s o r ç ã o
C o m p r im e n to d e O n d a ( m )
IV R e fle t id o
IV M é d ioIV P r ó x im o
R e g iã o E s p e c tr a l
V is ív e l
}
}
}
Ref
lect
ânci
a (%
)
8 0
7 0
6 0
5 0
4 0
3 0
2 0
1 0
00 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 1 .8 2 .0 2 .2 2 .4 2 .6
Fatores que afetam a reflectância da vegetação
Fatores Morfológicos Densidade da cobertura vegetal Densidade de plantio Largura da folha Distância entre folhas Inserção foliar
Fatores Fisiológicos Idade da planta Déficit Hídrico Tipo e espessura das folhas Nutrientes Conteúdo de água na folha
1. Reflectância efetiva de fundo (background, solo,
rocha, folhas mortas, sombra)
2. Ângulo de iluminação solar
3. Azimute do sol
4. Ângulo de visada
Fatores que afetam a reflectância da vegetação
Outros fatores
Solos
Fatores que afetam a reflectância dos solos
1. Umidade (maior umidade causará uma menor reflectância através da porção refletida do espectro eletromagnético);
2. Conteúdo de matéria orgânica ( um aumento em matéria orgânica causará uma diminuição da reflectância);
3. Quantidade de óxido de ferro (um aumento em óxido de ferro causará uma diminuição de reflectância);
4. Porcentagem relativa de argila, silte e areia (uma diminuição do tamanho das partículas aumentará a reflectância);
5. Características de aspereza da superfície dos solos (uma diminuição na aspereza da superfície causará um aumento do nível de reflectância).
Fatores que afetam a reflectância dos solos
Óxidos de Ferro Em geral, os óxidos de ferro absorvem bastante a energia
eletromagnética da região do infravermelho próximo (com máximo de absorção em torno de 900 nm). A quantidade de energia absorvida depende da quantidade do óxido de ferro. Assim, para solos contendo maiores teores de óxidos de ferro, como os Latossolos Ferríferos e os Latossolos Roxos, os espectros de energia refletida, principalmente, na região do infravermelho próximo, são bastante atenuados em razão da presença do óxido de ferro, que sobrepuja as influências dos demais parâmetros do solo.
Fatores que afetam a reflectância dos solos
Matéria Orgânica A composição e o conteúdo de matéria
orgânica no solo são reconhecidamente fatores de forte influência sobre a reflectância dos solos. À medida que o teor de matéria orgânica aumenta, a reflectância do solo decresce no intervalo de comprimento de onda de 400 a 2500 nm.
Quando o teor de matéria orgânica no solo excede a 2,0 %, ela desempenha um papel importante na determinação das propriedades espectrais do solo. Quando o teor é menor de 2,0%, outros constituintes do solo passam a ser mais influentes no comportamento espectral do solo do que a matéria orgânica.
Na Figura ao lado são mostradas três curvas espectrais, obtidas de solos com materiais orgânicos em diferentes estádios de decomposição; ou seja, materiais sápricos (altamente decompostos), materiais hêmicos (moderadamente decompostos) e materiais fíbricos (fracamente decompostos).
Fatores que afetam a reflectância dos solos
Rugosidade e Formação de Crosta Superficial Logo nas primeiras pesquisas sobre sensoriamento remoto em solos, foi possível
reconhecer a presença de formação de crostas superficiais em áreas desnudas, pela diferença no comportamento espectral dessas áreas em relação às adjacentes do mesmo tipo de solo. A formação de crosta faz com que solos úmidos apresentem um comportamento espectral de solo seco. Solos com presença de crosta apresentam maiores valores de reflectância na região espectral de 430 a 730 nm, em relação àqueles cujas crostas foram desfeitas. Este fato foi mais tarde evidenciado em estudos sobre identificação e mapeamento de solo preparado para plantio, na região de Ribeirão Preto, SP.
Nestes estudos foram utilizados dados do MSS (Multispectral Scanner Sensor) do Landsat, bandas 6 e 7 (visível e infravermelho próximo) e fotografias aéreas falsa cor, escala aproximada 1:20.000. Durante as fases de interpretação dos dados de satélite e de fotografias aéreas, os autores notaram que certas áreas preparadas para plantio apresentaram, nos dados do Landsat (banda 4) dois tons de cinza bastante distintos: um bem escuro, proveniente da maior absorção da radiação nesta faixa, pela presença de óxido de ferro e outro mais claro, embora fosse o mesmo solo. Após a verificação de campo, constataram a presença de crostas no solo exatamente onde a tonalidade de cinza era mais clara. Neste caso, a formação de crostas estava associada à diferença de tempo entre o preparo do solo, nestas áreas, e o período de coleta dos dados do satélite.
Por outro lado, durante o preparo do solo, principalmente no período de aração, é comum a formação de torrões. Este fato, gera sobre o solo uma certa rugosidade do terreno, o que se pressupõe interferir na reflectância do mesmo. Essa rugosidade pode causar efeitos tanto de espalhamento como de sombreamento.
Fatores que afetam a reflectância dos solos
Umidade do Solo Solos úmidos, em geral,
apresentam uma reflectância menor que os secos, na faixa de comprimento de onda de 400 a 2600 nm. Para ilustrar, na figura ao lado são mostrados várias curvas espectrais de solos contendo diferentes porcentagens de água. É possível observar ainda que todas elas apresentam bandas de maior absorção pela água em 1400 nm, 1900nm e 2200 nm.
Fatores que afetam a reflectância dos solos
Distribuição do Tamanho de Partículas Conforme consta na Tabela 3.1, os solos são formados por partículas de diferentes
tamanhos. Entretanto, a caracterização textural de um solo é feita em função das frações areia, silte e argila. Observando os valores de areia (2 a 0,05 mm), silte (0,05 a 0,002 mm) e argila (< 0,002 mm), nota-se que cada uma dessas frações pode estar no solo em diferentes tamanhos compreendidos nestes intervalos, consequentemente, um solo pode apresentar reflectância espectral diferente de outro solo da mesma classe por dois motivos: concentração e tamanho das partículas que compõem os solos.
Por outro lado, o arranjo físico e a agregação dessas partículas proporcionam ao solo uma estrutura. A textura e a estrutura são responsáveis pela quantidade e tamanho dos espaços porosos no solo, que são ocupados pela água e o ar. No caso de um solo ideal para cultivo, sem problema com excesso de umidade, o ar ocupa os poros maiores que 5 mm e a água poros menores que 5 mm.
A fração argila é a mais ativa quimicamente e pode ser constituída por minerais secundários, como a caulinita, montmorilonita e por sesquióxidos de alumínio e ferro.
Nota-se que cada constituinte do solo interage com a radiação eletromagnética, diferentemente do outro. Porém, é sempre bom lembrar que no solo esses minerais não ocorrem isoladamente e, sim, formando o complexo solo. Desta forma, fica evidente que a energia refletida por um solo é a soma integrada de todas as energias refletidas pelos diferentes componentes do solo.
Água
Fatores que afetam a reflectância da água
A reflectância da água do rio Tietê é típica de água com elevada concentração de material inorgânico em suspensão, com acentuada reflectância na faixa do vermelho, indicando baixa absorção da energia nesta região espectral.
A água do rio Piracicaba apresenta uma reflectância bastante baixa, com pico de máxima reflectância na região do verde (± 23%). Este fato, é um indicador forte da presença de material orgânico em suspensão.
A reflectância da água, obtida no corpo central do reservatório de Barra Bonita, onde as águas dos dois rios já estão misturadas, mostra claramente a transição entre os dois espectros anteriores.
Assinatura Espectral ou Padrão de Resposta Espectral
Os processos de emissão, absorção, reflexão e transmissão ocorrem simultaneamente e suas intensidades relativas caracterizam a matéria em investigação. Dependendo das características físicas e químicas da mesma, os quatro processos ocorrem com intensidades diferentes em diferentes regiões do espectro.
Esse comportamento espectral das diversas substâncias tem sido denominado de assinatura espectral e vem sendo utilizado em Sensoriamento Remoto para distinguir diversos materiais entre si.
Entretanto, deve ser reconhecido que uma assinatura espectral única e imutável não existe.
Em vez disso, em qualquer ponto no tempo, numa área geográfica particular, podem existir padrões de resposta espectral mensuráveis dos vários tipos de vegetação que são combinações da emitância e reflectância da própria vegetação, do solo, efeitos de sombra devido a diferenças em densidade ou padrões de cultivo, que no total são distintivas o bastante para permitir que os vários tipos de vegetação de interesse sejam identificados.
IFOV DO SENSOR
V
Z
Z
V
= ÂNGULO SOLAR ZENITAL
=ÂNGULO DE VISADA
= ÂNGULO AZIMUTAL
ZÊNITE
SATÉLITE, ALTITUDE H SOL
Variáveis da geometria de aquisição de dados que afetam as medidas de reflectância
Fatores que afetam a detectabilidade de feições no terreno
1. Resolução Espacial do Sensor
2. Contraste entre a feição e o seu “background”
3. Orientação da feição em relação as linhas de varredura
4. Relação sinal-ruído dos detectores
5. Taxa de amostragem do sensor
6. O processo de digitalização
Definição de Campo de Visada Instantâneo(Instantaneous Field of View - IFOV)
IFOV =
Hdf
Onde é a altura da órbita do satélite é o tamanho do detector é a distância focal do sistema óptico
H f
f
f
H
DETECTOR DETECTOR
ÓTICA IFOVANGULAR
IFOVANGULAR
IFOV IFOV
MEIAAMPLITUDE
FUNÇÃOESPALHAMENTO DE PONTO
GEOMETRIA DO CAMPO DE VISADA INSTANTÂNEA(NA PRÁTICA f<<H)
“ESPALHAMENTO DE PONTO”DO CAMPO DE VISADAINSTANTÂNEA
Constraste Simultâneo
Órbita do Landsat sincronizada com o sol
Espaçamento entre órbitas adjacentes do Landsat
Temporização das órbitas do Landsat
Características dos satélites LANDSAT e SPOT
Landsat 4 e 5 SPOT 1 e 2Órbita Circular
98,2 grausheliosíncrono
Circular98,7 graus
heliosincrono
Período 99 minutos 97 minutos
Altitude 705 km 832 km
Cruzamento 9:45 horas 10:39 horas
Ciclo 16 dias 26 dias
Órbita adj. 172 km 108 km
Órbita suc. 2.750 km 2.700 Km
Características do Satélite LANDSAT - Sensor TMCanal Faixa Espectral (um) Principais aplicações
10.45 - 0.52
Mapeamento de águas costeiras
Diferenciação entre solo evegetação
Diferenciação entre vegetaçãoconíferas e decíduas
2 0.52 - 0.60 Reflectância de vegetação verdesadia
3 0.63 - 0.69Absorção de clorofila
Diferenciação de espéciesvegetais
4 0.76 - 0.90Levantamento de biomassa
Delineamento de corpos d'água
5 1.55 - 1.75Medidas de umidade davegetação
Diferenciação entre nuvens eneve
6 10.4 - 12.5Mapeamento de estresse térmicoem plantas
Outros mapeamentos térmicos
7 2.08 - 2.35 Mapeamento hidrotermal
Características do Satélite SPOT - Sensor HRV
Canal Faixa Espectral(um) Principais aplicações
1 0.50 - 0.59Reflectância de vegetação verde sadia
Mapeamento de águas
2 0.61 - 0.68Absorção da clorofila
Diferenciação de espécies vegetais
Diferenciação de solo e vegetação
3 0.79 - 0.89 Levantamento de fitomassa
Delineamento de corpos d'água
Pan 0.51 - 0.73 Estudo de áreas urbanas
Padrão de varredura ótica do Thematic Mapper e projeção do IFOV na superfície terrestre
Sensoriamento Remoto Hiperespectral
Composição de cores
Composição Aditiva de Cores Composição Subtrativa de Cores
Composição colorida de imagens do Landsat-TM
Imagem de radar (SIR) de Manaus
• Prospecção mineral e de petróleo• Cartografia• Planejamento e monitoramento do uso do solo• Manejamento de pastagens e florestas• Agricultura• Recursos hídricos• Controle de poluição• Monitoramento ambiental
Aplicações Usuais do Sensoriamento Remoto
