Geração de modelos digitais do terreno por interferometria SAR

Geração de modelos digitais do terreno por interferometria SAR: avaliação dos sensores aerotransportados SAR/R99B e OrbiSAR RFP

Raphael de Oliveira Borges1

Fernando Campagnoli1

1 Centro Gestor e Operacional do Sistema de Proteção da AmazôniaSetor Policial Sul, Área 5, Quadra 3, Bloco K, CEP: 70610-200, Brasília, DF

{raphael.borges, fernando.campagnoli}@sipam.gov.br

Abstract. One of the main demands of SAR imaging constitutes the generation of DEM's by the interferometry. This technique is the simultaneous acquisition of two images, through two antennas, in one passage or two, separated by a distance known as the base line. Operating in the X, L and P bands, the SAR/R99B and OrbiSAR RFP, presents, respectively, in R99B aircraft of the brazilian air force, and a Turbo Commander 690 aircraft, owned by the OrbiSat company, has conducted many surveys, producing large-scale data. The DEM's generated by the sensors cited, presents spatial resolution and altimetric precision of 5 meters, the SAR/R99B data, which generates its DEM's from the X band, has many problems to be overcome, there are few imaging, and still need many adjustments to its full operationalization, problems like shadows in slopes areas need correction, but it is an important tool that still needs more studies to evaluate their applications. The OrbiSAR RFP data, they have different ways of generating DEM's, operating in X-band and P, generating models at ground level and models at the level of top of the trees in forest areas. This sensor is already operational and is working on mapping the Brazilian Amazon, mapping the topography of the ground of forest using P-band. With the operational availability of both sensors, working at the same level of positional accuracy, altimetry, and spatial resolution of the products generated, the gain for the imaging of large areas, such as the mapping of the Brazilian Amazon, is huge.

Palavras-chave: radar, X band, P band, DEM, interferometry, radar, banda X, banda P, MDT, interferometria

1. Introdução

Os imageamentos com radares de abertura sintética (SAR) têm sido amplamente utilizados em diversas áreas de atuação e em diferentes aplicações, o que permite uma série de análises e melhores compreensões de questões envolvendo os recursos naturais e o meio ambiente.

Os sensores SAR são caracterizados por serem sensores ativos, abrangendo o intervalo de comprimento de ondas das microondas. Estes dados podem ser adquiridos independentes à cobertura de nuvens, fumaça e iluminação, tanto de dia como a noite e em qualquer época do ano, além disso, ainda possuem a capacidade de penetrabilidade no solo.

Uma das principais demandas dos imageamentos SAR constitui-se na geração de modelos digitais do terreno, que podem ser usados para vários fins, incluindo como um dos mais importantes a construção de cartas topográficas. Os modelos topográficos tradicionais, geralmente de alto custo, vêm cedendo espaço aos métodos mais automatizados como o sistema de posicionamento global (GPS) e à interferometria de radar de abertura sintética – InSAR (Meneses e Sano, 2012).

O presente trabalho discute os modos de aquisição e geração de modelos digitais do terreno nos sensores aerotransportados SAR/R99B e OrbiSAR RFP. O primeiro está presente nas aeronaves de sensoriamento remoto R-99B, e têm grande relevância para aplicações científicas produzindo um grande volume e diversidade de dados, opera em duas freqüências: Banda L (1.28 GHz) e Banda X (9.3 GHz).

Já o sensor OrbiSAR RFP, construído pela empresa OrbiSat da Amazônia S.A, está instalado em um avião TURBO COMMANDER 690, operando nas bandas X e P com uma faixa de freqüência de 9 GHz. Atualmente é o sensor que atua no mapeamento do vazio cartográfico da amazônia legal brasileira, no projeto radiografia da amazônia, coordenado pelo CENSIPAM e pelo Exército Brasileiro por meio de sua Diretoria de Serviço Geográfico.

Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE

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2. Materiais e Métodos2.1 Interferometria SAR

O termo interferometria é derivado da palavra interferência, que expressa um fenômeno resultante da interação entre ondas de qualquer tipo. A primeira medida de elevação na Terra, obtida por interferometria de imagens de radar aerotransportado, foi realizada por Graham (1974). Posteriormente, Zebker e Goldstein (1986) e Gabriel e Goldstein (1988) propuseram e demonstraram com sucesso a geração de mapas topográficos a partir de Interferometria SAR.

Segundo Mura (2000), a técnica de Interferometria SAR, consiste da aquisição simultânea de duas imagens, através de duas antenas, separadas por uma distância conhecida como linha-base. É uma técnica que utiliza um par de imagens SAR no formato complexo, de amplitude e fase, para gerar uma terceira imagem complexa, dita imagem interferométrica, cuja fase de cada pixel, dita fase interferométrica, é formada pela diferença de fase entre os pixels correspondentes nas duas imagens originais (Mura, 2000).

A fase de cada pixel da imagem interferométrica está relacionada com a elevação do terreno, correspondente a célula de resolução no solo, possibilitando com isso a geração de um Modelo Digital do Terreno (MDT).

A aquisição de um par de imagens para a geração da fase interferométrica pode ser conseguida, tanto se utilizando duas antenas na mesma plataforma (interferometria de uma passagem), separadas pela linha-base, como se utilizando uma antena, aerotransportada ou orbital, com duas passagens sobre a mesma área, procedimento este conhecido como interferometria de duas passagens. Nesse caso a linha-base depende da distância entre as duas passagens. A Figura 1 ilustra os dois modos utilizados em interferometria SAR.

(a) Uma passagem (b) Duas passagens

Figura 1. Modos de aquisição utilizados em interferometria SAR

A obtenção da fase interferométrica depende primeiramente do registro preciso, da ordem de sub-pixel, das imagens complexas. Como, em geral, existe uma alta correlação entre as duas imagens, métodos automáticos podem ser empregados.

A imagem de fase interferométrica, também conhecida como interferograma, apresenta padrões do tipo franjas, que correspondem a padrões de interferência que aparecem devido a variação na elevação do terreno, devido ao caráter cíclico da fase (módulo de 2π).

Para que a fase interferométrica possa ser utilizada na geração de MNT, o seu caráter cíclico deve ser removido, ou seja, ela deve passar por um processo de desdobramento (Mura, 2000). Processo este de transformação da fase relativa (módulo de 2π) em fase absoluta, também chamado de “phase-unwrapping” (Goldstein e Zebker, 88).

Para que se consiga uma boa qualidade dos produtos gerados através da técnica de Interferometria de imagens SAR aerotransportadas, é necessária uma combinação precisa da compensação de movimento das plataformas, e do exato georreferenciamento das imagens,


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conseguido através do uso de sistema de navegação de ultima geração e de GPS diferencial, “Diferential Global Positioning System” (DGPS) (Mura, 2000).

2.2 Sistema de Imageamento SAR/R99BConcebido em proveito da missão do Sistema de Vigilância da Amazônia (SIVAM), o

sensor encontra-se alocado em três aeronaves Embraer ERJ-145, denominadas de R-99B pela Força Aérea Brasileira, sendo operadas pelo 2º Esquadrão do 6º Grupo de Aviação (2o/6o

GAv).O SAR/R99B opera em duas freqüências: Banda L (1.28 GHz) e Banda X (9.3 GHz). O

subsistema da Banda L tem a capacidade de transmitir e receber tanto na polarização vertical quanto na horizontal. O subsistema da Banda X só transmite e recebe na polarização horizontal.

Existem duas antenas para a Banda L e duas para a Banda X. As antenas da Banda L são fixas, sendo uma utilizada para a aquisição no modo "Stripmap" com visada para a esquerda e a outra, para a aquisição neste modo, com visada para a direita. As antenas da Banda X são montadas em um pedestal abaixo da fuselagem da aeronave. Uma das antenas da Banda X (antena monopulso) é utilizada para aquisição de dados nos seguintes modos: stripmap (com visada para a esquerda ou para a direita); SpotSAR; Wide Area Search (WAS) e Air-to-Air (A2A).

A outra antena da banda X (antena interferométrica - INSAR) é utilizada em conjunto com a antena monopulso para adquirir os dados interferométricos, objeto do presente trabalho.

Os 25 modos de operação disponíveis para o SAR (utilizando as bandas X e L) são modos de visada lateral que realizam o mapeamento de faixas do terreno, para as faixas obtidas com a Banda L existem quatro polarizações disponíveis: HH, HV, VV, VH. Para a Banda X só existe a polarização horizontal HH. A primeira letra designa a polarização transmitida e a segunda letra designa a polarização recebida (Andrade, 2005).

Os parâmetros adotados para cada imageamento, dependem do objetivo de cada missão. As demandas mais freqüentes compreendem a resolução espacial de 6 m, nos seguintes parâmetros: Quad L + X, quatro polarizações da Banda L e uma polarização da Banda X e Dual L + X, duas polarizações da Banda L e uma da banda X.

No que se refere à interferometria, o modo InSAR é um modo especial de imageamento de faixa na Banda X que permite medidas de altura utilizando informações de diferença de fase de duas antenas receptoras: uma monopulso e uma interferométrica, que recebem o sinal, em uma passagem, refletido a partir de dois ângulos de aquisição ligeiramente diferentes.

2.3 Sistema de Imageamento OrbiSAR RFPO sensor OrbiSAR RFP (Radar Foliage Penetration), construído pela OrbiSat da

Amazônia S.A., está alocado está em uma aeronave TURBO COMMANDER 690.Foi utilizado no mapeamento do vazio cartográfico da amazônia legal brasileira, no

projeto radiografia da amazônia, coordenado pelo CENSIPAM e pelo Exército Brasileiro por meio de sua Diretoria de Serviço Geográfico.

Este projeto tem por objetivo a elaboração de produtos cartográficos (planialtimétricos) nas escalas 1:100.000 e 1:50.000 da região do vazio cartográfico da Amazônia Legal, tais como cartas topográficas, ortoimagens com curvas de nível, modelos de elevação do terreno e arquivos de estratificação vegetal. No caso do mapeamento topográfico de regiões de floresta densa, o radar na banda P (72 cm de comprimento de onda), presente nesse sensor, possibilita a penetração no dossel da floresta e a interação da onda com a superfície do terreno, gerando, assim, informações sobre a altimetria do terreno, no nível do solo.


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A área total que corresponde ao vazio cartográfico e áreas de interesse na fronteira e proximidades está estimada em aproximadamente 1,8 milhão de quilômetros quadrados. Desse total, 1,142 milhão de quilômetros quadrados correspondem à área de floresta e 658 mil quilômetros quadrados à área de não-floresta, conforme apresentado na Figura 2.

Figura 2. Áreas de não-floresta e floresta para o vazio cartográfico na escala 1:100.000 na região da Amazônia Legal.

O sensor OrbiSAR RFP trabalha na faixa de freqüência de 9 GHz. Estas características permitem obter, utilizando toda a largura de banda, e em modo multipulso, uma resolução máxima de 0,4m no alcance inclinado "slant range" (aproximadamente 0,5m no alcance em terra "ground range"). Este sistema adquire três imagens complexas, de forma simultânea, a partir de três antenas da banda X e uma imagem complexa a partir de uma antena da banda P, instaladas no avião. Com este sistema, além das imagens de intensidade, obtêm-se também valores de diferença de fase, relacionados com o modelo digital do terreno (OrbiSat, 2008).

O sistema de navegação fornece os dados de posição e orientação do vôo para o computador de controle. Por isso, um Sistema de Navegação Inercial (INS), formado por um GPS (Novatel), DGPS (Omnistar) e uma Unidade de Medida Inercial (IMU), é acoplado ao mesmo. O GPS fornece as coordenadas de orientação, com precisão de 5 a 10 metros, enquanto que o Omnistar corrige os dados em tempo real, com precisão de até 0,5 metro. A IMU é um sensor que mede os ângulos de inclinação horizontal (roll), inclinação longitudinal (pitch) e rumo real da aeronave (heading).

A fim de melhor correção geométrica dos dados gerados, em conjunto aos aerolevantamentos, são instaladas em campo estações GPS de referência e linhas de refletores de canto. As estações de referência no solo tem a finalidade de processar, logo após afinalização do vôo, os dados referentes à posição do avião, resultando numa correção ainda maior, com precisão de 5 cm.

3. Resultados e Discussões – Geração dos Modelos Digitais do TerrenoNeste item serão abordados os resultados obtidos na geração dos modelos digitais do

terreno confeccionados pelos sensores aqui discutidos e seus distintos modos de geração nas diferentes bandas radar (X e P).

3.1 Imageamento InSAR/R99BConforme observado, dentre todas as possibilidades de utilização do sistema acoplado na

aeronave R99B, está o InSAR que permite a geração de um MDT pelo uso das antenas da banda X, com comprimento de onda da ordem de 3cm.


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O MDT gerado a partir dos dados interferométricos das aeronaves R99B, apresentam 5 metros de resolução espacial e também 5 metros de precisão altimétrica nominal, ou seja, em uma aplicação prática poderiam ser retiradas curvas de nível com intervalo altimétrico mínimo de 5 metros. Ressalta-se que este modelo é relativo. O valor de 5 metros é válido apenas em relação aos demais pontos do MDT. Para utilizar valores absolutos é necessário utilizar um ponto de referência no solo. Assim, para uma adequação do modelo, se faz necessária à coleta de pontos de controle em campo para posterior correção.

Como exemplo de produto de imageamento já efetuado com o InSAR/R99B, destaca-se o sobrevôo de imageamento efetuado no entorno da cidade de São José dos Campos, SP. Sobrevôo este realizado a fim de testes para a calibração dos sensores das aeronaves R99B. O MDT gerado a partir dos dados interferométricos colhidos nesta missão, serve então, apenas para estudos e testes, e não para utilização efetiva em projetos e trabalhos.

Sua escolha como exemplo deste tipo de dado se deu pela baixa disponibilidade, devido aos poucos imageamentos interferométricos já efetuados pelo R-99B. Na Figura 3, observa-se a faixa de MDT referida, e algumas características extraídas via processamento topográfico, tais como: imagem sombra, drenagens, curvas de nível e o realce de alguns problemas detectados no modelo gerado.

A imagem sombra do relevo, extraída para que se realçassem as feições de relevo, nos mostra algumas feições de face “lisa”, este problema ocorre devido ao fato da aquisição lateral no imageamento, estas áreas correspondem às áreas de sombras, que como não imageadas não apresentam valores altimétricos. O algoritmo de geração do MDT, para corrigir este problema, gera uma interpolação por grade triangular (TIN) a partir dos pontos que possuem valor, no entorno da sombra, daí o padrão de estrutura “lisa”, pois as rugosidades oriundas da interação entre a onda e a superfície desaparecem, justamente pela falta desta interação.

As outras feições destacadas correspondem às drenagens extraídas do MDT, a partir da extração automática das linhas de acumulação de fluxo de escoamento superficial, e as curvas de nível retiradas em equidistância de 5 metros.

Figura 3. Modelo Digital do Terreno InSAR/R99B, da região de São José dos Campos e feições selecionadas.


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3.2 Imageamento InSAR/OrbiSAR RFPDiferente do observado para os dados SAR/R99B, a geração dos modelos pelo sensor

OrbiSAR RFP apresenta distintos métodos de aquisição e coleta.A penetração dos sinais das bandas X e P, em zonas de vegetação densa do tipo floresta,

apresentam padrões completamente distintos entre si. As ondas da banda X dispersam-se a partir da copa das árvores, enquanto que as da banda P penetram na folhagem e refletem-se a partir do tronco e do solo, levando assim a informação da fase do terreno sem vegetação (Figura 4).

Figura 4. Penetração de sinais da Banda X e P na Vegetação.Em uma primeira etapa de processamento, é gerado um modelo digital de superfície

(DSM) gerado a partir dos dados da banda X. Para tanto, implementa-se a interferometria da banda X, fazendo uso de suas três antenas, em uma única passagem. A resolução e a exatidão vertical do DSM é variável, no caso dos modelos gerados no projeto radiografia da amazônia, apresentaram resolução espacial de 5 metros e precisão altimétrica (elipsoidal) de 5 metros, compatíveis com a escala de mapeamento das folhas de 1:50.000 (OrbiSat, 2008).

Para a construção Modelo Digital de Terreno (DTM), é realizada uma fusão do DTM, originado a partir dos dados da banda P, com o DSM, proveniente dos dados da banda X. A fusão é necessária pelo fato de que o DSM, obtido a partir dos dados da banda X, é idêntico ao DTM final nas áreas livres de vegetação e apresenta uma exatidão altimétrica alta. O DTM, gerado a partir dos dados da banda P, é preciso somente nas áreas de vegetação. Nas áreas livres de vegetação, esse DTM mostra-se impreciso devido à baixa reflexão das ondas da banda P do radar nessas regiões (OrbiSat, 2008).

Combinando o DSM, originado a partir da banda X somente nas áreas livres de vegetação, com o DTM, proveniente da banda P somente nas áreas com vegetação, obtém-se um DTM fusionado com exatidão altimétrica precisa e constante. As áreas com e sem vegetação podem fácil e precisamente ser definidas pela imagem da banda P. As áreas com vegetação refletem intensamente enquanto que a reflexão nas áreas livres de vegetação é muito baixa. A máscara para a floresta pode então ser diretamente derivada a partir da imagem da banda P. Por sua vez, o DTM fusionado pode ter diferentes exatidões altimétricas nas áreas com vegetação, dependendo da metodologia de levantamento, usada para aquisição dos dados da banda P.

Ainda conforme OrbiSat (2008), a aquisição dos dados da banda P, usando sua interferometria é realizada implementando-se a interferometria de dupla passagem, com uma linha-base de aproximadamente 40 m. Após o processamento das duas linhas de vôo, a topografia do solo é obtida naturalmente. Essa é a metodologia mais precisa, porém requer um vôo duplo e processamento de cada linha de vôo. A exatidão altimétrica nas áreas com vegetação é então similar àquela obtida nas áreas livres de vegetação originadas a partir da banda X. O DTM fusionado tem uma exatidão altimétrica independente do tipo de terreno, no caso dos modelos gerados no projeto radiografia da amazônia, apresentaram resolução espacial de 5 metros e precisão altimétrica (elipsoidal) de 5 metros.


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Além deste método descrito, ocorre também a aquisição dos dados da banda P, utilizando-se apenas suas imagens. Neste caso, nenhuma interferometria na banda P é realizada e a imagem da banda P é usada para definição das áreas com vegetação. As menores alturas do DSM, proveniente da banda X, são interpretadas como sendo altura do solo e interpoladas, isto é, um DTM é obtido a partir do DSM nas áreas com vegetação. Esta metodologia necessita de duas vezes menos trabalho de vôo e processamento do que a metodologia usando a interferometria da banda P, entretanto, fornece uma precisão altimétrica variável, ou seja, dependente do tipo de terreno.

Avaliando-se ambas as metodologias, conclui-se que todas necessitam da interferometria da banda X para calcular o DTM nas áreas livres de vegetação. A metodologia do DTM com a interferometria da banda P necessita mais trabalho de vôo e processamento, porém assegura uma melhor precisão altimétrica, o DTM fusionado tem uma precisão altimétrica constante e independente do tipo de terreno. Neste caso, a metodologia recomendada trata-se do DTM com interferometria na banda P, para manter uma precisão de altura independente do tipo de terreno.

Em relação à informação extraída, tanto o DSM quanto o DTM terão um tamanho de pixel adequado para representar corretamente a informação de elevação correspondente com a resolução requerida. Cada pixel de elevação do DTM representará a elevação observada do sistema de radar, que pode ser projetada como a média aritmética da elevação de todas as dispersões individuais do interior da zona, separados pelas dimensões do pixel. Todo o DTM é o resultado de um procedimento da separação em mosaico dos modelos de elevação derivados das linhas de vôo individuais. Qualquer parte da área é traçada em um mapa pelo menos duas vezes (desde direções de observações diferentes).

Com a superposição em range de uma linha de vôo estipulada em 75%, cada ponto no solo é imageado várias vezes. Essa redundância é importante para eliminação das sombras e para o controle de qualidade, pois o mosaico interrompe a cadeia de processamento se a altura obtida nas 4 tomadas não estiver dentro da precisão altimétrica especificada. A eliminação das sombras é quase completa (problema recorrente nas imagens SAR/R99B), pois cada tomada ilumina um mesmo ponto de um ângulo de observação diferente (OrbiSat, 2008). A figura 5 apresenta um exemplo que engloba uma zona florestada, mostra a amplitude das bandas X e P, o DSM da banda X e o DTM da banda P.

Figura 5. Imagem amplitude das bandas P (Superior esquerdo) e X (Superior direito), o DTM da banda P (Inferior esquerdo) e o DSM da banda X (Inferior direito).


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4. ConclusõesA técnica interferométrica está sujeita a um grande número de fatores físicos que podem

contribuir para a qualidade final do produto obtido. Os fatores que podem afetar o processamento interferométrico estão associados às características do sistema, do alvo e do processamento. Os fatores relacionados ao sistema estão associados ao vetor de estado, ao ruído de receptor do radar, a descorrelação espacial e temporal. Ao processamento, se refere às características do algoritmo, a qualidade do registro e ao desdobramento da fase. A declividade do terreno, aspecto, tipo de cobertura e uso do solo, são fatores associados ao alvo que podem afetar a qualidade do MDT interferométrico.

Conforme observado, existem ainda muitos problemas que devem ser superados. Até o momento, poucos imageamentos no modo InSAR/R99B foram efetuados, trata-se de uma ferramenta de suma importância e com um alto grau de refinamento, mas que ainda carece de mais estudos e testes que avaliem suas aplicações.

Já os dados InSAR/OrbiSAR RFP já apresentam, com um alto grau de refinamento, a operacionalização do imageamento de vastas áreas, incluindo áreas de densa cobertura vegetal, que com a utilização da banda P possibilita a leitura e registro de dados em nível de solo, garantindo a cartografia topográfica de precisão destas áreas.

Assim, podemos concluir que com a disponibilidade operacional destes sensores, trabalhando no mesmo nível de acurácia posicional e altimétrica, e no mesmo nível de resolução espacial dos produtos gerados, o ganho para o imageamento de grandes áreas, como o citado projeto Radiografia da Amazônia, é imenso.

A cobertura rápida e completa dos quase 1,8 milhão de quilômetros quadrados a serem mapeados, pode ser garantida nas áreas florestadas pela banda P do sensor OrbiSAR, e nos 658 mil quilômetros quadrados de área de não-floresta a cobertura poderá ser efetuada também pelos sensores presentes nas aeronaves R99B, os quais podem também nas áreas florestadas, gerar um modelo digital de superfície (DSM) a partir dos dados de sua banda X.

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