Principios_Fisicos

Princípios Físicos em Sensoriamento Remoto

ufsm.ccr.der2004

Princípios Físicos de Sensoriamento Remoto

i

SUMÁRIO

Pág.

LISTA DE FIGURAS.................................................................................................................................................... II

1 INTRODUÇÃO AO SENSORIAMENTO REMOTO...........................................................................................1

1.1 - A FERRAMENTA SR..............................................................................................................................................2

1.1.1 - A Origem do SR Moderno ..........................................................................................................................2 1.2 - PRODUTOS E APLICAÇÕES...................................................................................................................................3

1.3 - PRINCIPAIS PARÂMETROS DE DESEMPENHO DOS SISTEMAS SENSORES .....................................................5

1.3.1 - Resolução Espacial.....................................................................................................................................6

1.3.2 - Resolução Radiométrica............................................................................................................................7 1.3.3 - Resolução Espectral e Faixa Espectral ..................................................................................................8

1.3.4 - Resolução Temporal (Repetitividade) ................................................................................................. 10

2 RADIAÇÃO ÓPTICA ............................................................................................................................................ 12

2.1 - FONTES DE RADIAÇÃO ÓPTICA ........................................................................................................................12

2.2 - O ESPECTRO ÓPTICO .......................................................................................................................................... 12

2.3 - GRANDEZAS DA RADIAÇÃO ÓPTICA................................................................................................................15

2.3.1 - A Energia Radiante e sua Dependência do Tempo e do Espaço ..................................................... 16

2.3.2 - Grandezas da Radiação Relacionadas à Área e a Lei do Cosseno de Lambert ........................... 21 2.3.3 - Grandezas Radiométricas Relacionadas à Natureza do Material.................................................. 26

2.3.4 - Grandezas Radiométricas Espectrais................................................................................................... 28

2.3.5 - Grandezas Radiométricas, Fotométricas e Quânticas ...................................................................... 28

2.4 - CARACTERÍSTICAS DE FONTES DE RADIAÇÃO ÓPTICA ............................................................................... 29

2.4.1 - Leis da Radiação de Corpo Negro........................................................................................................ 30

2.4.2 - Emissores Espectralmente Seletivos ..................................................................................................... 37

2.4.3 - Fontes de Radiação Coerente ................................................................................................................ 38

3 INTERAÇÕES DA REM COM A SUPERFÍCIE ................................................................................................ 39

3.1 - REFLECTÂNCIA ESPECTRAL DA VEGETAÇÃO, SOLO E ÁGUA.....................................................................41

3.2 - PADRÕES DE RESPOSTA ESPECTRAL................................................................................................................46

3.3 - INFLUÊNCIA DA ATMOSFERA NOS PADRÕES DE RESPOSTA ESPECTRAL ..................................................48

4 INTERAÇÕES DA REM COM A ATMOSFERA.............................................................................................. 50

4.1 - ESPALHAMENTO..................................................................................................................................................50

4.2 - ABSORÇÃO ............................................................................................................................................................52

5 AQUISIÇÃO E INTERPRETAÇÃO DE DADOS .............................................................................................. 54

5.1 - DADOS DE REFERÊNCIA .....................................................................................................................................58

5.2 - O SISTEMA IDEAL DE SENSORIAMENTO REMOTO .......................................................................................60

5.3 - CARACTERÍSTICAS DE SISTEMAS REAIS DE SENSORIAMENTO REMOTO..................................................62

5.4 - A CORRETA UTILIZAÇÃO DO SENSORIAMENTO REMOTO.........................................................................64

BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA ....................................................................................................................... 68


ii

LISTA DE FIGURAS

Pág.

1.1 - Efeito da resolução espacial .................................................................................................................... 6

1.2 - Imagens reproduzidas em diferentes resoluções radiométricas ......................................................... 7

1.3 - Fotografias aéreas oblíquas de baixa altitude, obtidas simultaneamente, ilustrando a diferença

de comportamento espectral entre a grama natural, nos arredores do estádio, e a grama artificial, no

interior do mesmo, em função da resolução espectral do filme utilizado.................................................... 9

1.4 - Relação entre a natureza tático-estratégica dos alvos militares e as resoluções espacial e

temporal dos sistemas de SR............................................................................................................................. 11

2.1 - Gráfico de propagação da luz, segundo a Teoria Ondulatória ............................................................. 14

2.2 - O Espectro Eletromagnético...................................................................................................................... 14

2.3 - Grandezas radiométricas ........................................................................................................................... 21

2.4 - Lei do cosseno de Lambert para uma superfície difusa...................................................................... 23

2.5 - Fluxo radiante em um hemi sfério............................................................................................................. 24

2.6 - Interação entre energia radiante e matéria ............................................................................................. 26

2.7 - Tipos de fontes de radiação óptica ........................................................................................................ 29

2.8 - Distribuição espectral da energia irradiada de corpos negros de várias temperaturas .................. 33

3.1 - Interação entre a REM e feições na superfície terrestre ....................................................................... 38

3.2 - Reflectância especular versus reflectância difusa................................................................................. 40

3.3 - Curvas típicas de reflectância espectral para vegetação, solo e água ............................................... 42

3.4 - Efeito atmosférico sobre medições da REM solar refletida .................................................................. 48

4.1 - Características espectrais de (a) fontes de energia e (b) efeitos atmosféricos ................................. 52

5.1 - Características de uma imagem digital..................................................................................................... 55

5.2 - Processo de conversão analógico-digital (A/D).................................................................................... 57

5.3 - Componentes de um sistema ideal de SR................................................................................................ 61


1

1 INTRODUÇÃO AO SENSORIAMENTO REMOTO

“Sensoriamento Remoto é a ciência e a arte de obter informação acerca de um

objeto, área ou fenômeno, através da análise de dados adquiridos por um dispositivo que não

está em contato com o objeto, área ou fenômeno sob investigação”.

Essa definição, apresentada por Lillesand e Kiefer (1994), basta para que o leitor

tome consciência de que, no simples ato de ler este texto, ele está utilizando o Sensoriamento

Remoto (SR). Nesse caso, os olhos atuam como sistemas sensores capazes de responder à

luz refletida por esta página.

Os “dados” adquiridos pelos olhos são, na verdade, impulsos correspondentes à

quantidade de luz refletida das partes claras e escuras contidas no texto. Esses dados são

analisados pelo cérebro do leitor, tornando-o capaz de entender as áreas escuras como uma

coleção de letras que formam palavras que, por sua vez, formam frases. Ao final do processo,

a leitura dessas frases possibilitará a interpretação da informação nelas contida.

De certa forma, o SR pode ser entendido como um processo de leitura. Por meio de

vários sensores, dados são coletados remotamente, para que sejam analisados no intuito de

gerar informação acerca de objetos, áreas, ou fenômenos sob investigação.

Esses dados coletados remotamente podem apresentar-se de muitas formas. Podem

ser variações na distribuição de forças, distribuição de ondas acústicas, ou distribuição de

ondas eletromagnéticas - percebida, em parte, pelo olho humano - por exemplo.

Esta apostila discorre sobre sistemas sensores de energia eletromagnética empregados

em plataformas aerotransportadas e orbitais e a interação desses com a superfície terrestre.

Trata-se de sistemas que são adequados ao levantamento de dados que permitam a geração

de informações acerca de alvos dispostos na superfície terrestre.

Assim sendo, o SR eletromagnético também pode ser entendido como o conjunto de

atividades que têm por objetivo determinar propriedades de alvos pela detecção, registro e

análise da radiação eletromagnétca por eles refletida e/ou emitida.


2

Ainda que o registro da radiação possa ser feito de várias maneiras, esta apostila irá

discorrer sobre sistemas, cujos dados registrados são apresentados sob forma de imagens.

Em termos militares, o SR constitui um conjunto de atividades de apoio às atividades

de Inteligência, particularmente a Inteligência de Imagens.

1.1 - A FERRAMENTA SR

Para que se possa fazer bom uso dos sistemas sensores, o planejador militar deve ser

capaz de responder às seguintes perguntas:

a) De que sistemas sensores disponho?

b) Em que circunstâncias posso utilizá-los?

c) Que informações eles são capazes de gerar?

Os conhecimentos essenciais para responder a essas três perguntas são apresentados

nos tópicos subseqüentes.

1.1.1 - A Origem do SR Moderno

O SR moderno é o “descendente” natural da fotografia convencional, tendo surgido

com a evolução das técnicas que permitem detectar e registrar outras formas de radiação

eletromagnética além da luz visível.

O SR teve seu crescimento lado a lado com a ciência da computação, a partir do final

dos anos 50. Isso se deveu a uma grande necessidade do programa espacial norte -americano

nesse sentido. O desenvolvimento conjunto dessas tecnologias fez com que o SR viesse a

englobar não apenas diferentes tipos de imagens e sensores, mas também, devido ao emprego

de técnicas de processamento de imagens digitais, propiciar a geração de uma gama de

produtos bem mais variada que a oferecida até então pelas técnicas e sensores fotográficos

tradicionais.


3

1.2 - PRODUTOS E APLICAÇÕES

Existem várias formas de se caracterizar sistemas de SR. Podem ser discriminados

quanto ao nível de aquisição (terrestre, aéreo e orbital), ou quanto ao processo de detecção

(fotográfica ou eletrônica), por exemplo. A mais usual delas é dividindo-os em função do

domínio espectral (vide 1.3.3), ou seja, a porção do Espectro Eletromagnético por eles

explorada (visível, infravermelho próximo, infravermelho médio, infravermelho distante ou

termal, e microondas). Alguns sistemas, por operarem em mais de uma faixa espectral,

recebem a denominação multiespectral, ou hiperespectral, em função do número de canais

adotados.

Qualquer que seja a caracterização dada, é possível verificar que todos os sistemas

de SR podem apoiar, de alguma forma, as atividades de inteligência, sejam quais forem suas

aplicações primárias. A Tabela 1.1 apresenta, sinteticamente, os principais sistemas e

produtos de SR.

TABELA 1.1 - PRINCIPAIS SISTEMAS E PRODUTOS DE SR

SISTEMAS PRODUTOS/APLICAÇÕES

Sistemas fotográficos Inteligência, Cartografia, restituição altimétrica,

modelos para simulação de vôo

Sistemas multiespectrais e hiperespectrais Inteligência, Cartografia (carta-imagem), restituição

altimétrica (SPOT), modelos para simulação de vôo,

estudos de comportamento espectral de alvos

Imageadores infravermelho de visada frontal (FLIR) Imageamento noturno para fins diversos

(navegação, Busca e Salvamento, Esclarecimento

Marítimo, designação de alvos)

Imageadores termais de varredura de linha (IRLS) Inteligência, reconhecimento tático noturno

Radares imageadores de visada lateral Inteligência, reconhecimento a qualquer hora e sob

quaisquer condições meteorológicas, Cartografia,

restituição altimétrica (Interferometria)

A Tabela 1.2 ilustra as circunstâncias de utilização dos sistemas de SR, em função da

faixa espectral na qual estiverem operando. Quando um sistema de SR utiliza radiação


4

refletida (visível e infravermelho próximo/médio), ele depende da iluminação solar e da

transparência atmosférica, pois os comprimentos de onda envolvidos são relativamente

pequenos (vide 4.1 - Espalhamento Atmosférico).

Caso a radiação empregada pelo sistema se situe no infravermelho termal, tal sistema

independe de iluminação solar (vide “espectro emitido” em 2.1 - Fontes de Energia e

Princípios da Radiação). Entretanto, esse sistema ainda depende de transparência

atmosférica, pelas mesmas razões mencionadas para sistemas que operam no espectro

refletido.

Finalmente, quando se trata de radares imageadores, há independência tanto da

iluminação solar (são sistemas ativos, que emitem sua própria radiação), quanto da

transparência atmosférica (as microondas possuem comprimento de onda relativamente

longos, se comparados às partículas em suspensão na atmosfera terrestre).

As considerações anteriores estabelecem algumas características que podem

determinar a possibilidade, ou não, de utilização dos vários sistemas de SR. No entanto,

existem outras características pertinentes a cada sistema, aqui não mencionadas, que os

tornam mais ou menos adequados para determinado tipo de utilização, tornando a natureza

dos dados de SR essencialmente complementar. Em outras palavras, sempre que praticável, é

desejável a disponibilidade de dados dos vários sistemas existentes e, logicamente,

disponíveis.

Essa complementaridade entre os diversos sistemas de SR permite a extração de uma

quantidade superio r de informações para uma mesma cena, na medida em que cada faixa do

Espectro Eletromagnético possui peculiaridades na forma de interagir com a matéria.


5

TABELA 1.2 - PERFIL DE OPERAÇÃO DOS SISTEMAS SENSORES EM FUNÇÃO

DA FAIXA ESPECTRAL

QUALQUER LUGAR

(alcance físico)

QUALQUER HORA

(diurno-noturno)

QUALQUER TEMPO

(Meteorologia)

VISÍVEL & IV

REFLETIDO

SIM NÃO NÃO

INFRAVERMELHO

TERMAL

SIM SIM NÃO

RADAR

IMAGEADOR

SIM SIM SIM

1.3 - PRINCIPAIS PARÂMETROS DE DESEMPENHO DOS SISTEMAS SENSORES

Para fazer uso de um sistema de SR, o planejador deve estar apto a considerar os

fatores que contribuem para a definição do sistema ideal para cada tipo de aplicação. Da

mesma forma que, em função de uma série de parâmetros, um “Jeep” é um veículo mais

adequado à prática do chamado “off-road” do que uma limusine, e uma aeronave do tipo C-5

(“Galaxy”) é ideal para o transporte de grandes cargas, ao contrário de um F-5E (“Tiger II”),

por exemplo, os sistemas de SR têm sua maior ou menor aplicabilidade em determinadas

situações em função de alguns parâmetros do sensor, que serão abordados a seguir.

Quando se fala em resolução, qualquer que seja, é preciso ter em mente que, nesse

caso, os termos melhor resolução e pior resolução são conceitos relativos e, portanto, não

estão ligados a valores absolutos. Em outras palavras, se um sistema apresenta uma resolução

espacial de 30 m., enquanto um outro possui 20 m., significa dizer que este último possui uma

melhor resolução espacial do que aquele de 30 m.

Caso haja interesse em adotar os termos maior ou menor, deve-se ter o cuidado de

acrescentar o conceito de poder de resolução, a fim de se evitar uma inversão nos

parâmetros considerados. Assim sendo, o sistema que possui 20 m. de resolução espacial, no

exemplo acima citado, detém um maior poder de resolução espacial do que o de 30 m., e não

uma resolução espacial maior.


6

1.3.1 - Resolução Espacial

É definida como o menor elemento de área que um sistema sensor é capaz de

distinguir. Ela determina se o alvo pode ser identificado na imagem, em função de seu

tamanho.

A Figura 1.1 ilustra uma mesma cena imageada com três resoluções espaciais

diferentes. No caso, um “pixel” (“picture element” - menor elemento da imagem) é disposto

de maneira exagerada para exemplificar os diferentes graus de abragência, em função da

resolução espacial considerada.

Na representação da direita, de resolução espacial mais pobre (pior), um pixel integra

a informação disponível em dois tipos de cultura dispostas perpendicularmente uma à outra,

além da influência do fundo (solo). Na representação central, de resolução espacial

intermediária, um pixel integra a informação disponível em um tipo de cultura e no fundo à sua

volta (solo). Finalmente, na representação da esquerda, de melhor resolução espacial, um

pixel integra somente a informação disponível num tipo de cultura.

Fig. 1.1 - Efeito da resolução espacial.

Em outras palavras, no caso do imageamento de uma aeronave de transporte C-130

Hércules (aproximadamente 40 m. de envergadura por 30 m. de comprimento) estacionada

num pátio, por exemplo, seria necessária, para uma identificação precisa, uma resolução

espacial da ordem de centímetros. À medida que tal resolução for sendo degradada, o

intérprete terá seu leque de informações reduzido progressivamente. Assim, com uma

resolução de 2 m., é possível determinar que se trata de uma aeronave quadrimotor de


7

transporte. Entretanto, no caso de uma resolução de 30 m., o C-130 estará praticamente

contido num ponto, ou seja, num único pixel.

1.3.2 - Resolução Radiométrica

É definida como a menor diferença de brilho que um sistema sensor é capaz de

perceber. Ela determina se o alvo pode ser visto na imagem, em função de seu contraste com

os alvos vizinhos.

A resolução radiométrica é dada pelo número de níveis digitais, representando níveis

de cinza, usados para expressar os dados coletados pelo sensor. Quanto maior o número de

níveis, maior é a resolução radiométrica.

Na Figura 1.2, por exemplo, uma mesma cena é apresentada em 256 níveis de cinza

(a) e em quatro níveis de cinza (b), variando do preto ao branco. A quantidade de detalhes

perceptíveis na primeira é claramente maior que na segunda. Portanto a cena “a” possui

melhor resolução radiométrica que a cena “b”.

Fig. 1.2 - Imagens reproduzidas em diferentes resoluções radiométricas: (a) - 8 bits (28 = 256 níveis); e (b) - 2 bits (22 = 4 níveis).

(a) (b)


8

O número de níveis é comumente expresso em função do número de dígitos binários

(“bits”) necessários para armazenar em formato digital o valor do nível máximo. O valor em

bits é sempre uma potência do número 2, o que faz com que “6 bits”, por exemplo,

corresponda a 26 = 64 níveis.

Os sistemas sensores mais comuns, como as séries Landsat e SPOT, possuem

resolução radiométrica de 8 bits, o que significa 256 níveis de cinza. Já o olho humano, que é

bastante sensível a variações espectrais (vide 1.3.3), não apresenta grande sensibilidade a

variações de níveis de cinza (cerca de 30 níveis apenas). Por outro lado, o computador

consegue diferenciar qualquer quantidade de níveis, o que torna mais desejável o emprego de

imagens de melhor resolução radiométrica, nas aplicações de SR assistidas por computador.

1.3.3 - Resolução Espectral e Faixa Espectral

A resolução espectral é definida como a menor porção do Espectro Eletromagnético

que um sistema sensor é capaz de segmentar. Ela determina se o alvo pode ser visto na

imagem, em função de seu comportamento espectral.

Trata-se de um conceito inerente às imagens multiespectrais de SR. Quanto mais

estreitas, espectralmente falando, as bandas (canais) de um dado sistema, maior é a

capacidade desse sistema de discriminar variações no comportamento espectral do alvo a ser

estudado.

Na Figura 1.3a, por exemplo, uma cena foi fotografada com filme pancromático (de

0,4 µm. a 0,9 µm.), no qual, tanto a grama natural (fora do estádio), quanto a artificial (no

interior do estádio), apresentam tonalidades fotográficas similares. A Figura 1.3b, no entanto,

mostra a mesma cena fotografada com filme infravermelho preto e branco, atuando entre

0,7 µm. e 0,9 µm. Nesse caso, a grama natural possui uma tonalidade fotográfica bastante

clara (alta reflectância no infravermelho próximo), ao contrário da grama artificial, que possui

tonalidade bastante escura (baixa reflectância no infravermelho próximo).


9

Fig. 1.3 - Fotografias aéreas oblíquas de baixa altitude, obtidas simultaneamente, ilustrando a diferença de comportamento espectral entre a grama natural, nos arredores do estádio, e a grama artificial, no interior do mesmo, em função da resolução espectral do filme utilizado. Em (a), uma foto pancromática (0,4 a 0,9 µm.); e em (b), uma foto infravermelho (0,7 a 0,9 µm.), de melhor resolução espectral.

FONTE: Lillesand e Kiefer, p. 91 (1994).


10

A faixa espectral, por sua vez, é definida como a região do Espectro Eletromagnético

na qual um sistema sensor opera. Ela determina o domínio do sistema sensor utilizado, em

função da característica da radiação por ele empregada.

Via de regra, o Espectro Eletromagnético é dividido, para efeito de Sensoria mento

Remoto, em 5 faixas espectrais, assim distribuídas do menor para o maior comprimento de

onda: visível, infravermelho próximo, infravermelho médio, infravermelho distante (termal), e

microondas.

1.3.4 - Resolução Temporal (Repetitividade)

A resolução temporal é definida como a freqüência com a qual um sistema sensor é

capaz de imagear um mesmo alvo. Ela determina o período mínimo a ser aguardado para um

novo imageamento de determinado alvo.

Trata-se de um parâmetro somente aplicável aos satélites de SR, uma vez que estes

possuem órbitas de períodos regulares como característica imposta pela Mecânica Orbital, ao

contrário das aeronaves, por exemplo.

Dois parâmetros relacionados à plataforma - o nível de emprego (orbital, aéreo e de

superfície) e a capacidade de uso (posse e grau de imunidade à interceptação) - afetam a

resolução temporal.

O nível de emprego determina, de maneira geral, o alcance do sistema e sua

manobrabilidade. A capacidade de uso determina a disponibilidade do mesmo para emprego

durante um conflito armado.

As informações apresentadas até aqui são de grande importância para o planejador

militar não-especializado em SR, sendo adequado, portanto, tecer alguns comentários

adicionais a respeito.

Apesar de não constituir regra, em geral os alvos de valor estratégicos (usinas de

energia, instalações portuárias, siderúrgicas, indústrias, entre outros) possuem dimensões

maiores que os alvos de valor tático (uma aeronave pousada, ou uma coluna de blindados,

por exemplo). Um sistema com elevado poder de resolução espacial pode “enxergar” ambos


11

os tipos de alvos, enquanto um sistema com resolução espacial relativamente limitada permite

a identificação apenas dos alvos de grandes dimensões.

Assim sendo, pode-se dizer que todos os sistemas imageadores podem ser usados

para o reconhecimento estratégico, mas apenas os que possuem poder de resolução espacial

elevado se prestam ao reconhecimento tático.

Usando uma abordagem semelhante, em geral se pode dizer que os alvos de valor

estratégico são imóveis e sujeitos a poucas alterações no decorrer do tempo (refinarias de

petróleo, fábricas de armamentos, aeródromos), enquanto os alvos de valor táticos podem ser

movidos (tropas, embarcações, aeronaves), ou modificados (defesas de um aeródromo,

pontes móveis) com relativa rapidez.

Dessa forma, qualquer que seja a resolução temporal do sistema, ele se prestará para

o reconhecimento estratégico, mas somente os sistemas de alta resolução temporal poderão

ser considerados para o reconhecimento tático. Os princípios abordados acima são

sintetizados e esquematizados na Figura 1.4.

E M P R E G O T Á T I C O

E M P R E G O E S T R A T É G I C O

b a i x a r e p e t i t i v i d a d e r e s o l u ç ã o e s p a c i a lp o b r e

a l t ar e p e t i t i v i d a d e

b o a r e s o l u ç ã oe s p a c i a l

Fig. 1.4 - Relação entre a natureza tático-estratégica dos alvos militares e as resoluções espacial e temporal dos sistemas de SR.


12

2 RADIAÇÃO ÓPTICA

2.1 - FONTES DE RADIAÇÃO ÓPTICA

A radiação óptica proveniente de um objeto tem duas origens possíveis. Uma, a

emissão, é a atividade interna dos átomos que constituem o objeto. Energias correspondentes

aos comprimentos de onda do espectro óptico envolvem tipicamente transições de elétrons no

átomo.

À medida que esses elétrons mudam seus níveis de energia, eles absorvem e/ou

emitem energia na forma de radiação eletromagnética. Os elétrons podem ser estimulados a

fazer transições por meio de energia interna, reações químicas, ou fontes externas de energia,

como campos eletromagnéticos, por exemplo. A intensidade e os comprimentos de onda da

radiação emitida dependem da natureza da estimulação.

A segunda fonte de radiação a partir de um objeto é a reflexão ou a transmissão de

fontes radiantes no ambiente em que se encontra o objeto. A reflexão pode ocorrer em

função de um simples espalhamento, ou pode envolver a absorção seguida de reemissão de

comprimentos de ondas selecionados. Um comprimento de onda transmitido é aquele que

passa através do objeto.

2.2 - O ESPECTRO ÓPTICO

A luz visível é apenas umas das muitas formas de radiação eletromagnética (REM).

Outras formas familiares são as ondas de rádio, raios-ultravioleta, raios-X e o calor. Todos

esses tipos de REM são similares e são irradiadas segundo a Teoria Ondulatória.

Conforme mostra a Figura 2.1, essa Teoria nos ensina que a REM se propaga

segundo uma senoidal harmônica e à velocidade da luz (c). A distância entre dois picos de

onda determina o comprimento de onda (λ) da REM, enquanto o número de picos a passar

num determinado ponto fixo no espaço, por unidade de tempo, determina a freqüência (ν)

dessa mesma REM.


13

Fig. 2.1 - Gráfico de propagação da luz, segundo a Teoria Ondulatória.

FONTE: Adaptada de Lillesand e Kiefer (1994), p. 4.

Das leis da Física, tem-se a seguinte equação geral para a REM:

c = νλ. (2.1)

10 102 103 104 105 106 107 108 10910 -110-210 -310-410 -510-6 1λλ µµ( )m λλ µµ( )m

Visível

0,4 0,5 0,6 0,7 µµ( )m

IVPUV RGB

(1 mm) (1 m)

Fig. 2.2 - O Espectro Eletromagnético.


Uma vez que a velocidade da luz é constante no meio em que se desloca (3 x 108 m/s

, no vácuo), note-se, pela Equação 2.1 que, para qualquer que seja a REM considerada, a

freqüência e o comprimento de onda serão sempre inversamente proporcionais. Em SR, a

forma mais comum para se categorizar a REM, ao longo do Espectro Eletromagnético

(EEM - Figura 2.2), é através do comprimento de onda. Entretanto, a partir das microondas

(λ ≥ mm), o emprego da freqüência torna-se mais usual.

distância

campo magnético

E

M

λ = comprimento de onda (distância entre dois picos de onda sucessivos)

velocidade da luz c

ν = freqüência (número de ciclos por segundo em relação a um ponto fixo)

campo elétrico


14

Embora as características da REM sejam mais facilmente entendidas através da

Teoria Ondulatória, uma outra teoria, a Teoria Quântica, oferece outras abordagens para

explicar como a energia eletromagnética interage com a matéria. Segundo essa Teoria, a REM

é composta de partículas denominadas fótons, cuja energia é discretizada em quanta. A

energia de um quantum é dada por:

Q h= ν. (2.2)

onde:

Q = energia de um quantum, em Joules (J)

h = constante de Planck, 6,626 × 10-34 J⋅s

ν = freqüência, em Hertz (Hz)

Ao relacionarmos as Equações 2.1 e 2.2, obtemos:

Qh

=c

λ. (2.3)

Note-se, portanto, que a energia de um quantum é inversamente proporcional ao seu

comprimento de onda. Ou seja, quanto maior for o comprimento de onda, menor será a

energia nele contida. Essa asserção tem implicações importantes para o SR, uma vez que

radiações emitidas que possuam comprimentos de onda maiores, como emissões na faixa das

microondas por objetos, ou feições, da superfície terrestre, são mais difíceis de detectar do

aquelas emitidas em comprimentos de onda menores, como no infravermelho termal. Significa

dizer que, de maneira geral, sistemas operando em comprimentos de onda maiores necessitam

“enxergar” áreas maiores para obter um sinal detectável.

A Seção 2.3 define grandezas e unidades radiométricas úteis para descrever a

radiação óptica em termos quantitativos.

Embora determinadas faixas do EEM tenham sido “batizadas”, por conveniência,

com termos tais como ultravioleta, infravermelho, microondas etc, não há, no EEM, uma

separação clara entre essas faixas. Na verdade, termos foram sendo atribuídos muito mais em


15

função da maneira utilizada para perceber a REM, do que por quaisquer diferenças inerentes

às características dos diversos comprimentos de onda.

Pode-se notar, ainda na Figura 2.2, que o EEM estende-se num contínuo

caracterizado por mudanças de magnitudes1 da ordem de várias potências de 10. Assim

sendo, o uso de representações logarítmicas em gráficos é bastante comum.

Dessa forma, tendo uma amplitude de apenas 0,3 µm, a porção relativa ao Espectro

Visível2, nele representada, é extremamente pequena e é dividida, uma vez mais por

conveniência, em três faixas, que são as cores primárias. A cor azul ocorre entre 0,4 e

0,5 µm, a verde entre 0,5 e 0,6 µm e a vermelha entre 0,6 e 0,7 µm.

Já fora do Espectro Visível, a radiação ultravioleta avizinha-se imediatamente antes da

azul, enquanto a radiação infravermelho, situada imediatamente após a vermelha, também

pode, a exemplo das cores primárias, ser dividida em três faixas. O infravermelho próximo, de

0,7 a 1,3 µm, o infravermelho médio, de 1,3 a 3 µm e o infravermelho termal, além de 3 µm.

Com comprimentos de onda bem maiores, a faixa das microondas estende-se de 1 mm a 1 m.

Os sistemas mais comuns de SR operam em uma ou mais porções das faixas que se estendem

do visível até as microondas.

2.3 - GRANDEZAS DA RADIAÇÃO ÓPTICA

Da definição de sensoriamento remoto, depreende-se que a essência dessa tecnologia

é a detecção das alterações sofridas pela REM na interação desta com a superfície terrestre.

Para se discutir a radiação óptica em termos quantitativos, torna-se necessário definir

um sistema de grandezas da radiação (grandezas radiométricas). As definições e unidades

utilizadas, nesta apostila, estão de acordo com o Sistema Internacional de Medidas (SI).

1 - A unidade mais freqüentemente utilizada em SR para exprimir comprimentos de onda é o mícron - µm - que equivale a 10 -6 m.

2 - Parte do EEM que contém a radiação que o olho humano é capaz de detectar (aproximadamente de 0,4 a 0,7 µm).


16

Outro conjunto de grandezas, conhecidas como fotométricas, é definido por causa de

seu uso na caracterização de alguns dispositivos eletro-ópticos3 disponíveis comercialmente.

Entretanto, grandezas fotométricas são baseadas na resposta espectral de um observador

jovem padrão. Em outras palavras, as grandezas fotométricas são ponderadas para a curva

de resposta espectral do olho humano considerado padrão.

Essa restrição provoca dois grandes problemas quando grandezas fotométricas são

utilizadas para descrever dispositivos eletro-ópticos. Primeiro, o conceito de “observador

padrão” traz consigo incertezas na quantificação das medidas. Segundo, vários dispositivos

eletro-ópticos atuam numa faixa mais abrangente que aquela utilizada pelo olho humano. Não

faz sentido, por exemplo, caracterizar um sensor infravermelho, utilizando-se grandezas

fotométricas.

Grandezas radiométricas, por outro lado, provêm uma caracterização precisa de

todas as aplicações eletro-ópticas, incluindo as respostas visuais do olho humano. Para

caracterizá-las em termos de grandezas radiométricas, basta a inclusão da curva de resposta

espectral adequada. Embora as grandezas fotométricas sejam apresentadas, a título de

comparação, esta apostila enfatizará as grandezas radiométricas.

Definições e relações entre as várias grandezas radiométricas serão apresentadas a

seguir. A Tabela 2.1 apresenta, de forma resumida, essas grandezas, enquanto a Tabela 2.2

fornece os seus correspondentes fotométricos, além de descrições e símbolos formalmente

adotados4.

2.3.1 - A Energia Radiante e sua Dependência do Tempo e do Espaço

Energia Radiante

3 - Uma definição bastante simplificada para o termo eletro -óptica é “o estudo dos efeitos de campos elétricos em fenômenos ópticos”.

4 - Esses símbolos e unidades já eram utilizados anteriormente à adoção do SI e aparecem na maioria dos trabalhos científicos da área de SR.


17

A grandeza fundamental da radiação óptica é a energia radiante. É caracterizada pelo

símbolo Q e é dada em joules (J). É a partir dessa grandeza fundamental que derivam todas

as outras grandezas radiométricas usadas para descrever a radiação óptica.

A energia radiante geralmente apresenta uma complexa dependência de inúmeras

variáveis, incluindo tempo, comprimento de onda e coordenadas espaciais. Além disso, se a

fonte da energia radiante é considerada, então Q possui também dependência das

propriedades do material, sua temperatura, área superficial e orientação relativa. A

dependência dessas variáveis forma a base para as grandezas radiométricas aqui definidas.

Fluxo Radiante

O fluxo radiante é definido como a derivada parcial da energia radiante em função do

tempo. É caracterizada pelo símbolo Φ e é dada em watts (W).

Φ =δδ

Qt

W( ) (2.4)

Densidade Radiante

A densidade radia nte nada mais é do que a concentração de energia por unidade de

volume (derivada parcial da energia radiante - Q - em função do volume - V). É caracterizada

pelo símbolo w e é dada em joules por metro cúbico (J/m3).

wQ

VJ m=

δδ

( )3 (2.5)


18

TABELA 2.1 - DEFINIÇÕES DE GRANDEZAS RADIOMÉTRICAS

GRANDEZA RADIOMÉTRICA

SÍMBOLO EQUAÇÃO UNIDADE DE MEDIDA CONCEITO

Energia Radiante Q joule (J); erg (erg); e

kilowatt-hora (kWh) Energia transmitida em forma de ondas eletromagnéticas.

Fluxo Radiante Φ δδ

Qt

W erg/s

Taxa de variação de energia radiante no tempo

Densidade Radiante ω δδ

QV

J/m3 erg/cm3

Taxa de variação de energia radiante por unidade volumétrica.

Intensidade Radiante I δδ

ΦΩ

watt por esferorradiano (W/sr) Fluxo deixando uma fonte por unidade de ângulo sólido numa dada direção.

Exitância M δδ

ΦA

W/m2 W/cm2

Fluxo deixando uma superfície por unidade de área.

Irradiância E δδ

ΦA

W/m2 W/cm2

Fluxo incidente sobre uma superfície por unidade de área.

Radiância L δδ δ θ

δδ θ

2 ΦΩ( cos ) ( cos )A

IA

= W/srm2 W/srcm2

Intensidade radiante por unidade de área normal à fonte numa dada direção.

Emissividade ε MM

CR

CN

adimensional Razão entre a exitância de um material e a exitância de um corpo negro à mesma temperatura.

Absortância α ΦΦ

a

i

adimensional Razão entre o fluxo absorvido e o Fluxo incidente numa superfície.

Reflectância ρ ΦΦ

r

i

adimensional Razão entre o fluxo refletido e o fluxo incidente numa superfície.

Transmitância τ ΦΦ

t

i

adimensional Razão entre o fluxo transmitido e o fluxo incidente numa superfície.


19

TABELA 2.2 - DEFINIÇÕES DE GRANDEZAS FOTOMÉTRICAS

GRANDEZA RADIOMÉTRICA

SÍMBOLO EQUAÇÃO UNIDADE DE MEDIDA CONCEITO

Energia Luminosa (quantidade de luz)

Qv K Q de( )λ λ λ380

760

∫ lumen (lm) Energia na faixa do visível em função da eficácia luminosa da radiação

Fluxo Luminoso Φ v δδQ

tv

lumen-segundo ou talbot (lms)

lumen-hora (lmh)

Taxa com a qual a energia luminosa é transferida de um ponto a outro da superfície.

Densidade Luminosa ωv δδQV

v lm/m3

Taxa de variação de energia luminosa por unidade volumétrica.

Intensidade Luminosa

Iv δδΦΩ

v candela (cd) ou lm/sr

Fluxo luminoso deixando uma fonte por unidade de ângulo sólido, numa dada direção.

Exitância Luminosa Mv δδQA

v lux (lm/m2 ou lx) Fluxo luminoso deixando uma superfície

por unidade de área.

Iluminância Ev δδQ

Av

lux (lm/m2 ou lx) Fluxo luminoso incidente sobre uma superfície por unidade de área.

Luminância Lv δδ δ θ

δδ θ

2 ΦΩ

v

( cos ) ( cos )AI

Av=

cd/m2 Intensidade luminosa por unidade de área normal à fonte, numa dada direção.

Eficácia Luminosa K ΦΦ

v lm/W

Razão entre o fluxo visível e o fluxo radiante.

Eficiência Luminosa V KKmax

adimensional Razão entre a eficácia luminosa na região visível pela eficácia luminosa máxima.


20

Ângulo Sólido

Uma superfície com área “∆A”, situada a uma distância “r” de uma fonte pontual,

define com esta uma direção e um ângulo sólido, caracterizado pela letra Ω. Sua unidade é o

esferorradiano 5 ou esterradiano (sr).

14

42 2

2

2sr unidadeA

resfera

Ar

rr

sr= = ⇒ = = =δδ π

πΩ Ω( ) ( ) ( ) (2.6)

δδΩΩ

rδδA

FONTE

ESFERA

Fig. 2.3 - Conceito de ângulo sólido (Ω).

Intensidade Radiante

É o fluxo por unidade de ângulo sólido irradiado numa certa direção a partir de uma

fonte pontual. É caracterizada pelo símbolo I e é dada em watts por esferorradiano (W/sr). A

Figura 2.4a ilustra uma fonte pontual irradiando energia num ângulo sólido.

5 - Grandeza correspondente ao ângulo sólido que, projetado em uma superfície esférica, cujo centro

encontra-se no vértice desse ângulo, forma uma área igual ao quadrado do raio, ou seja, 1

4π da área total

da esfera. Em outras palavras, como a área da esfera é dada por A = 4πr2, conclui-se que esta possui 4πr2/r2

esferorradianos, ou seja, 4π esferorradianos (vide Equação 2.6).


21

IQ

tW sr= =

δδ

δδ δ

ΦΩ Ω

2

( ) (2.7)

2.3.2 - Grandezas da Radiação Relacionadas à Área e a Lei do Cosseno de Lambert

Densidade de Fluxo Radiante

Exitância Radiante (Emitância Radiante - M). É o termo usado para definir a

densidade de fluxo radiante emitida por uma superfície. É dada pelo fluxo radiante

por unidade de área da superfície considerada (W/m2).

Irradiância (E). Quando o fluxo radiante incide na superfície, ele é chamado

irradiância. Da mesma forma que a exitância, é dado em watts por metro

quadrado.

A Equação 2.8 define, ao mesmo tempo, exitância e irradiância. A diferença entre

essas grandezas é ilustrada nas Figuras 2.4b e 2.4c como o fluxo radiante emitido por uma

superfície ou incidente sobre ela.

M EA

Qt A

W m, ( )= =δδ

δδ δ

Φ 22 (2.8)

Radiância

É o fluxo radiante numa certa direção, a partir de uma superfície normalizada com

respeito à área da superfície e unidade de ângulo sólido. Para um ângulo de visada normal à

superfície emissora, conforme mostrado na Figura 2.4d, a radiância, caracterizada pelo

símbolo L, é dada por:

LIA

QA

Qt A

W m sr= = = ⋅δ

δδ

δ δδ

δ δ δ

2 32

Ω Ω( ) (2.9)

Para direções outras que não a normal à superfície, vale ressaltar o fato de que a

superfície aparente é proporcional ao cosθ e inversamente proporcional a θ , onde θ é o

ângulo formado entre a normal à superfície e a linha de visada, que estabelece a superfície

aparente (Figura 2.4e).


22

( )I W sr=δδ

ΦΩ

/

Fonte pontualΦ (W) Ângulo sólido

δΩ (sr)

(a)

MA

W m=δδ

Φ( )2

Φ (W): Fluxo total da superfície

Área da superfície δA (m2)

(b)

EA

W m=δδ

Φ( )2

Φ (W): Fluxo total para a superfície


(c)

LA

=δ

δ δΦΩ

Φ (W): Fluxo total da superfície


(d)

(W/m2 - sr)Ângulo sólidoδΩ (sr)

θ

Área da superfície δ A (m2)

δ S

Linha de visada

(e)

δ S = δ A cos θ

Fig. 2.4 - Grandezas radiométricas. (a) Intensidade radiante. (b) Exitância

radiante. (c) Irradiância. (d) Radiância. (e) Relação entre a

superfície δ A e a superfície aparente δ S.


23

Lei do Cosseno

Para a energia radiante emitida por uma superfície plana, a intensidade radiante I

(W/sr) varia com o cosseno do ângulo entre a linha de visada e a superfície normal.

Superfícies para as quais essa relação é válida são chamadas de superfícies lambertianas (ou

difusas). Considerando-se a geometria apresentada na Figura 2.5a, a intensidade radiante é

plotada no gráfico em 2.5b. Definindo-se Iθ como a intensidade radiante para o ângulo θ, e

In como a intensidade radiante normal à superfície, a Lei do Cosseno de Lambert é dada por:

I I W srnθ θ= cos ( ) (2.10)

O efeito da Lei do Cosseno na radiância de uma superfície como função do ângulo de

visada merece destaque. Uma vez que a radiância é definida como L I A= δ δ , a radiância,

para o ângulo de visada θ, conforme mostra a Figura 2.5c, é dada por:

LIA

IS

IA

L W m srnθ

θδδ δ

θδ θ

= = = = ⋅cos

cos( )2 (2.11)

Assim sendo, a radiância de uma superfície lambertiana é independente do ângulo de

visada. Essa relação pode ser verificada experimentalmente. Além disso, verifica-se essa

propriedade na grandeza fotométrica luminância (também conhecida como brilho). Isso

explica, por exemplo, porque o brilho emitido por uma superfície lambertiana não se modifica

com o ângulo de visada (a tela de cinema se aproxima dessa condição).


24

Normal

θDireção de visada

Iθ , Lθ

(a)

− π2

π2

In

Iθ = In cos θ (W/sr)

0 θ

(b)

LIA

IS

IA

L Lnnθ

θδδ δ δ

= = = = =

θ


δS = δA cos θ

(independente de θ)

(c)

Fig. 2.5 - Lei do Cosseno de Lambert para uma superfície difusa. (a)

Superfície lambertiana. (b) Intensidade radiante a partir de uma

superfície lambertiana. (c) Radiância a partir de uma superfície

lambertiana.


25

Caso Particular - Radiância de uma Fonte Lambertiana

Na Figura 2.6, a intensidade radiante Iθ (na direção θ em relação à normal da

superfície de área δA) é dada pela Lei do Cosseno como:

I I W srnθ θ= cos ( )

A partir da definição de intensidade radiante, temos I = δ δΦ Ω e considerando

ainda a Figura 2.6, temos que:

δ δ θ θδθδθΦ Ω Ω= =I In cos sen

Ao se integrar o fluxo radiante total num hemisfério, tem-se:

Φ Φ= ∫ ∫d d I nθ θ θπ π0

202 cos sen

ou Φ = π In . Uma vez que a radiância é independente de orientação, para uma superfície

lambertiana, temos que:

LIdA dA

MW m srn= = = ⋅

Φπ π

( )2

Esse resultado provê relações simplificadas entre radiância (L), fluxo radiante (Φ),

exitância radiante (M) e intensidade radiante (I), para uma dada fonte lambertiana.

area r d d= 2sen θ θ φ

r senθ

θ

r dsen θ φ

φ

d φd θ

I θ

rd θ

Superfície radiantedA

Fig. 2.6 - Fluxo radiante em um hemisfério.


26

2.3.3 - Grandezas Radiométricas Relacionadas à Natureza do Material

As propriedades básicas na interação dos materiais com a radiação óptica são a

emissividade (ε), reflectância (ρ), absortância (α ) e a transmitância (τ). Variações dessas

grandezas básicas são encontradas em certas áreas específicas de eletro-óptica, como

coeficiente de retroespalhamento e coeficiente de absorção, utilizados na caracterização das

propriedades de propagação óptica da atmosfera.

A energia radiante incidente sobre a superfície de dado material pode ser absorvida,

refletida, ou transmitida através do material. O Princípio de Conservação de Energia requer

que a soma das energias absorvida, refletida e transmitida seja igual à energia incidente.

Entretanto, como resultado da energia absorvida pelo material, há um incremento no estado

energético interno desse material. Uma vez que, em equilíbrio, qualquer material possui uma

energia interna constante, conclui-se que deve haver outro mecanismo pelo qual parte da

energia é perdida pelo material na mesma razão em que é absorvida.

Em 1860, Kirchhoff demonstrou que radiadores térmicos devem emitir e absorver

radiação na mesma proporção, independentemente do comprimento de onda e da natureza da

superfície do radiador (Lei de Kirchhoff). Assim, bons radiadores são também bons

absorvedores. Materiais que tenham alta reflectância ou transmitância, por outro lado, são

maus emissores ou absorvedores.

A Seção 2.4 mostra que todos os materiais emitem energia, por causa de seus

estados internos de energia. Da Figura 2.7, podem ser extraídas as seguintes relações:

Qincidente = Qabsorvida + Qtransmitida + Qrefletida (2.12)

Qemitida = Qabsorvida (em equilíbrio) (2.13)

As definições apresentadas a seguir são dadas em termos relativos de grandezas

radiométricas. Mais especificamente, são dadas em termos de energia radiante (Q).

Entretanto, são aplicáveis a relações de fluxo radiante (Φ), exitância radiante (M), irradiância

(E), intensidade radiante (I), bem como radiância (L).


27

Absorvida

Refletida

Incidente

EmitidaTransmitida

Fig. 2.7 - Interação entre energia radiante e matéria.

Absortância

A absortância é definida como a razão entre a energia radiante absorvida e a energia

radiante incidente.

α =QQ

absorvida

incidente(adimencional) (2.14)

Reflectância

A reflectância é definida como a razão entre a energia radiante refletida e a energia

radiante incidente.

ρ =Q

Qrefletida


Transmitância

A transmitância é definida como a razão entre a energia radiante transmitida e a

energia radiante incidente.

τ =QQtransmitida



28

Emissividade

A emissividade é definida como a razão entre a energia radiante emitida pelo material

considerado e a energia radiante emitida por um corpo negro6 à mesma temperatura.

ε =QQ

CR

CN(adimencional) (2.17)

Assim sendo, para qualquer material que seja considerado um radiador térmico,

temos:

α ρ τ α ε+ + = =1 (2.18)

2.3.4 - Grandezas Radiométricas Espectrais

Todas as grandezas radiométricas já definidas dependem, em geral, do comprimento

de onda da radiação óptica. Dessa forma, cada grandeza apresenta uma dependência

funcional do comprimento de onda. Essa dependência do comprimento de onda é

especificada por meio do acréscimo do termo “espectral” à frente de cada grandeza

empregada (por exemplo, densidade de fluxo radiante espectral). Grandezas radiométricas

espectrais são identificadas pela adição do símbolo “λ” subscrito aos símbolos definidos para

cada grandeza e do termo “por mícron” às unidades. O mícron (µm) é usado para medir o

comprimento de onda porque é uma unidade conveniente para a maioria das aplicações

eletro-ópticas. O nanometro é outra unidade conveniente para comprimentos de onda ópticos

e poderá ser visto em muitas aplicações.

2.3.5 - Grandezas Radiométricas, Fotométricas e Quânticas

As grandezas radiométricas foram definidas, até aqui, no sistema de unidades MKS.

Na Seção 2.2, foi mostrado que fótons têm sua energia dada por hc λ , donde se conclui

que grandezas radiométricas espectrais podem ser expressas em termos de fluxo de fótons

(fótons/s). Essa alternativa para grandezas radiométricas é útil na avaliação de sistemas eletro-

6 - Corpo negro é a expressão utilizada para definir um radiador hipotético ideal que absorve e reemite completamente toda a energia nele incidente. Objetos reais apenas se aproximam deste ideal teórico.


29

ópticos, nos quais efeitos quânticos são importantes. Por exemplo, vários tipos de ruído em

detectores quânticos são descritos em termos de fluxo de fótons. Uma prática comum para se

distinguir representações de fluxo de fótons de grandezas radiométricas é a utilização de um

“e” subscrito em cada um dos símbolos previamente definidos.

2.4 - CARACTERÍSTICAS DE FONTES DE RADIAÇÃO ÓPTICA

Um fator fundamental para qualquer sistema eletro-óptico é a radiação com a qual

esse sistema interage. Para melhor entender e quantificar o desempenho de um sistema desses

é necessário entender, primeiramente, a natureza da radiação óptica. Utilizando as grandezas

radiométricas definidas há pouco, é possível observar os vários tipos de fontes de radiação

óptica e caracterizar suas medições.

Fontes de radiação óptica podem ser classificadas genericamente em três tipos, de

acordo com o comprimento de onda presente na radiação. Os tipos são os seguintes:

1. Discreto;

2. Banda estreita;

3. Banda larga.

Esses três tipos são ilustrados graficamente na Figura 2.8, que mostra o fluxo radiante

em função do comprimento de onda.

A fonte discreta é caracterizada por energia radiante concentrada em um ou poucos

comprimentos de onda individuais (vide Figura 2.8a). O laser é o melhor exemplo de uma

fonte discreta.

Fontes de banda estreita, como os LED (“Light-Emitting Diodes”), têm a maior parte

de sua energia radiante confinada a uma faixa relativamente curta de comprimentos de onda

(vide Figura 2.8b). A distribuição é considerada como sendo tipicamente contínua ao longo

da faixa, em contraste aos comprimentos de onda individuais de uma fonte discreta.

Fontes de banda larga (vide Figura 2.8c) incluem essencialmente todas as outras

fontes de radiação óptica. Uma subclasse de fonte de banda larga, o radiador de corpo

negro, será examinado em detalhes a seguir. Ele irradia em todos os comprimentos de onda,


30

de zero a infinito, com uma distribuição particular que é função do comprimento de onda e

tem um formato fixo para uma dada temperatura de fonte.

Φ (λ)

(c)

Φ (λ)

λ

(a)

λ1 λ2

λ(b)

Φ (λ)

λ

Fig. 2.8 - Tipos de fontes de radiação óptica. (a) Monocromática -

discreta. (b) Espectralmente seletiva - banda estreita. (c) Banda

larga.

2.4.1 - Leis da Radiação de Corpo Negro

O Sol é a mais óbvia fonte de energia para SR. Entretanto, toda matéria, cuja

temperatura exceda o Zero Absoluto (0 K, ou -273° C), emite radiação continuamente.

Assim sendo, todos os objetos dispostos na superfície terrestre são também fonte de

radiação, embora de magnitude e composição espectral consideravelmente distintas da

radiação solar.

A intensidade espectral da radiação depende primariamente da temperatura do objeto

e das propriedades radiantes do material de que esse objeto é feito (em particular, a


31

emissividade espectral do material). Já foi mencionado, no corpo desse trabalho, que

absortância e emissividade são iguais para um mesmo objeto. Assim sendo, um objeto com

alta emissividade deve possuir, igualmente, uma alta absortância. Portanto, nunca é demais

relembrar a Lei de Kirchhoff, segundo a qual um bom emissor é também um bom absorvedor.

Pode-se definir um absorvedor perfeito como sendo aquele que absorve toda a

radiação incidente sobre ele. Esse objeto será, obrigatoriamente, um emissor perfeito. Um

corpo com essas características é chamado de corpo negro e possui emissividade e

absortância igual a 1 em todos os comprimentos de onda, de zero a infinito. Um absorvedor-

emissor não tão perfeito, mas que possua uma absortância-emissividade constante e menor

que a unidade em todos os comprimentos de onda é chamado de corpo cinza.

Uma definição mais formal do radiador de corpo negro é “um radiador hipotético

(emissividade = absortância = 1; reflectância = transmitância = 0) que emite isotropica e

aleatoriamente energia radiante numa distribuição contínua de comprimentos de onda que

varia de zero a infinito. A exitância radiante, função da temperatura e do comprimento de

onda, é dada pela Lei de Distribuição de Planck”.

Lei de Planck

Os primeiros esforços para descrever experimentalmente a radiação emitida por um

objeto, numa dada temperatura, eram baseados na Eletrodinâmica Clássica. Um resultado

desses esforços foi a Lei de Stefan-Boltzmann (a ser apresentada nesta Seção), que mostra

que o fluxo total radiante proveniente de um corpo negro é proporcional à quarta potência de

sua temperatura absoluta. Entretanto, outros esforços na caracterização de uma dependência

espectral da exitância radiante de um corpo negro resultou em equações de aplicações

limitadas. Max Planck realizou um desenvolvimento teórico que gerou resultados consistentes

com dados experimentais, assumindo que o corpo negro emite e absorve energia em valores

discretos (quanta), chamados fótons, cada qual com a energia definida por “hν”, conforme

foi visto na Seção 2.1.

Baseado nessa abordagem da Teoria Quântica, Planck desenvolveu sua lei de

radiação, que fornece a exitância radiante espectral para um radiador de corpo negro.


32

Detalhes dessa teoria podem ser encontrados em diversos textos de Física Moderna. A

precisão dessa lei de radiação foi verificada experimentalmente e é dada por:

M Tc

eW m mc Tλ λλ

µ( ) ( )=−

−1

521

12 (2.19)

onde:

c1 = 2πc2h = 3,7413 × 108 (W-µm4/m2)

c2 = hc/k = 1,4388 × 104 (µm-K)

As constantes c1 e c2 são chamadas constantes da radiação de Planck, e Mλ

(Equação 2.19) fornece a exitância radiante num ângulo sólido de 2π radianos (um

hemisfério). Uma vez que um radiador de corpo negro é lambertiano (difuso), sua radiância é

constante em todas as direções e pode ser obtida pela substituição de c1 = 2πc2h na Equação

2.19, tendo em mente que L = M/π .

L T c he

W m m src Tλ λλµ( ) ( )=

−

⋅ ⋅2 11

2

52

2 (2.20)

As fórmulas clássicas anteriores para a exitância radiante espectral são deriváveis

como casos limites da Lei de Distribuição de Planck, ou simplesmente Lei de Planck, e são

mostradas, nesse contexto, nos próximos parágrafos.

Lei da Radiação de Wien

Se e c T2 λ for maior do que 100, então o termo 1 2( )ec Tλ é aproximado, numa

margem de erro de 1%, para e c T− 2 λ , de forma que:

M Tc

e W m mc Tλ

λ

λµ( ) ( )≈ ⋅−1

522 (2.21)

A Equação 2.21 é chamada de Lei da Radiação de Wien. É interessante notar que

Wien desenvolveu esse resultado antes de Planck, utilizando uma abordagem de “tentativa-e-

erro” com formas de curvas de corpos negros experimentais, aliado ao conhecimento da Lei

de Stefan-Boltzmann.


33

Para se resolver a inequabilidade condicional apresentada acima, a Lei de Wien

requer, para ser precisa numa margem de erro inferior a 1%, que λ T seja menor que

0,31 cm⋅K. Em outras palavras, para uma dada temperatura T, a Lei de Wien pode ser usada

para representar, com precisão, a exitância radiante espectral para comprimentos de onda

variando de 0 a 3100 µm.

Lei de Deslocamento de Wien

A Figura 2.9 mostra uma série de curvas de distribuição de corpos negros em várias

temperaturas. Essas curvas mostram que, à medida que a temperatura aumenta, há um desvio

na direção daquelas curvas com menor comprimento de onda situado no pico de distribuição

da radiação do corpo negro, que determina o comprimento de onda dominante. Esse

comprimento de onda, no qual uma curva de radiação de corpo negro atinge o seu máximo de

emissão, está relacionado à sua temperatura através da Lei de Deslocamento de Wien, que

estabelece o seguinte:

λ m3c

T= . (2.22)

onde:

λm = comprimento de onda de máxima exitância espectral, em µm

c3 = 2898 µm⋅K

T = temperatura absoluta (K) do corpo negro

Assim sendo, para um corpo negro, o comprimento de onda, no qual ocorre a

máxima exitância espectral, varia de forma inversamente proporcional à temperatura absoluta

do corpo negro. Tal relação pode ser constatada, quando se aquece um pedaço de metal,

como o ferro, por exemplo. À medida que esse metal se torna progressivamente mais quente,

ele começa a incandescer e sua cor vai adquirindo tonalidades de cores que caminham no

sentido dos comprimentos de onda menores - de um vermelho opaco para o laranja, depois

para o amarelo, e assim prossegue sucessivamente.


34

Comprimento de Onda (µm)

Exi

tânc

ia E

spec

tral

(W

m-2

µm

-1)

Fig. 2.9 - Distribuição espectral da energia irradiada de corpos negros de

várias temperaturas. (Note-se que a exitância espectral Mλ é a

energia emitida por unidade de intervalo de comprimento de

onda. A exitância total M é dada pela área sob as curvas de

exitância espectral).


O Sol emite radiação da mesma forma que um corpo negro cuja temperatura é de

cerca de 6.000 K (Figura 2.9). Muitas lâmpadas incandescentes emitem radiação similar à de

um corpo negro à temperatura de 3.000 K. Conseqüentemente, elas apresentam baixa

emissão de radiação azul e não possuem a mesma constituição espectral da luz solar.

Em função disso, filmes fotográficos são manufaturados de formas diferentes, de

modo a permitir um balanço apropriado de cores sob diferentes condições de iluminação.

Filmes para tomadas externas são balanceados para a luz solar. Se esse tipo de filme é

empregado em ambientes iluminados artificialmente - com lâmpadas incandescentes - as


35

fotografias resultantes do processo terão uma coloração amarelada. A solução para tal é a

utilização de um “flash” com alta emissão de radiação azul, a fim de compensar o efeito

indesejado. Uma outra solução aplicável é a adoção de filmes balanceados especialmente

para ambientes fechados, com iluminação artificial.

A temperatura de superfície da Terra (solo, água, vegetação etc.) é de

aproximadamente 300 K (27 °C). Isso significa, do ponto de vista da Lei de Deslocamento

de Wien, que a máxima exitância espectral (Mλ) de feições da superfície terrestre ocorre na

radiação cujo comprimento de onda é de aproximadamente 9,7 µm.

Pelo fato de corresponder ao calor da superfície terrestre, essa radiação é conhecida

como infravermelho termal. Trata-se de uma radiação que não pode ser vista ou fotografada,

mas que pode ser detectada através de dispositivos, tais como radiômetros e “scanners7”.

O Sol possui um pico de energia bem superior ao da Terra. Esse pico ocorre a

aproximadamente 0,5 µm e o olho humano, da mesma forma que os filmes fotográficos, são

sensíveis a essa radiação. Portanto, somente podemos observar objetos na superfície

terrestre em virtude da radiação solar nelas refletida, obviamente quando há iluminação solar.

Por essa razão, nunca é demais repetir, comprimentos de onda maiores emitidos por

objetos na superfície terrestre só podem ser observados por sistemas de SR não-fotográficos.

A “linha divisória” entre o infravermelho refletido e o emitido localiza-se em torno de 3 µm.

Abaixo desse comprimento de onda, predomina a radiação refletida, enquanto acima dele,

prevalece a radiação emitida.

Determinados sistemas sensores, como os radares, trazem consigo sua própria fonte

de energia para “iluminar” os alvos de interesse. São denominados sistemas ativos, em

contraste com os sistemas passivos, descritos anteriormente, que detectam a energia

naturalmente disponível.

Lei de Rayleigh-Jeans

7 - Os scanners, ou dispositivos imageadores por varredura, geram imagens através da aquisição de segmentos do campo de visada do sistema sensor, ou seja, “varrendo” a cena, uma vez que não são capazes de imageá-la de uma só vez.


36

A Lei de Rayleigh-Jeans foi desenvolvida a partir da Teoria Clássica de

Eletrodinâmica para predizer a exitância radiante espectral de um radiador de corpo negro.

Ela é dada por:

M T c Tc

ckT W m mλ λπλ

µ( ) ( )= = ⋅1

24 4

22 (2.23)

A maior dificuldade com a Equação 2.23 é que ela se torna insolúvel à medida que λ

tende a zero. Uma análise mais detalhada mostra que essa Equação é derivável como um caso

limite da Lei de Planck. A partir da Equação 2.19, ao se expandir o termo exponencial do

denominador, obtém-se o seguinte:

M Tc c

Tc

Tλ λ λ λ( )

!=

+

+ ⋅⋅ ⋅ + ⋅⋅ ⋅

−

15

2 2

2 1

12

(2.24)

Se c T2 λ for muito menor que 1, então os termos de ordem igual ou superior a 2

podem ser ignorados, gerando a seguinte aproximação:

M T c cT

c Tcλ λ λ λ

( ) ≈

=

−15

2

1

1

24

(2.25)

Assim, a Lei de Rayleigh-Jeans também é mostrada como uma aproximação da Lei

de Planck, onde a condição é que λ T seja muito maior que c2. Para uma margem de erro

máxima de 1%, a inequabilidade começa com λ T maior que 7,2 × 105 (µm⋅K).

Lei de Stefan-Boltzmann

Conforme já foi mencionado, a quantidade de energia que um objeto irradia é função,

entre outras coisas, da temperatura de superfície desse objeto. Baseado em argumentos

termodinâmicos e num tratamento, onde a radiação era o “carro-chefe” de um motor de ciclo

Carnot, Ludwig Boltzmann desenvolveu uma expressão que fornece a exitância radiante total

de um corpo negro. Seu trabalho verificou, teoricamente, uma relação da ordem de quarta

potência para a temperatura que havia sido afirmada anteriormente por Josef Stefan.


37

Essa propriedade, expressa pela Lei de Stefan-Boltzmann, estabelece:

M T 4= σ . (2.26)

onde:

M = exitância total da superfície de um corpo, em Watts por metro quadrado (W ⋅m-2)

σ = constante de Stefan-Boltzmann, 5,6697 × 10-8 W⋅m-2⋅K-4

T = temperatura absoluta (K) do corpo emitente

Antes do trabalho de Planck, o valor de σ teve de ser determinado

experimentalmente. Obviamente, não é absolutamente necessário ao leitor memorizar valores

particulares desta ou aquela constante. No entanto, é extremamente importante notar que a

energia total emitida por um objeto é diretamente proporcional a T 4 . Em outras palavras, à

medida em que a temperatura desse objeto aumenta, a energia total emitida aumentará muito

rapidamente. Também deve-se ter mente que a Lei de Stefan-Boltzmann é válida somente

para fontes de energia que se comportam como um corpo negro.

Sempre que a energia total emitida por um objeto varia em função de mudanças na

sua temperatura, a distribuição espectral da energia emitida por esse objeto também irá variar.

Na Figura 2.9, que mostra curvas de distribuição de corpos negros com temperaturas

variando entre 200 e 6.000 K, as unidades no eixo das ordenadas (W⋅m-2⋅µm-1) expressam a

potência radiante emitida por um corpo negro, em intervalos espectrais de 1 µm.

A área sob cada uma das curvas de distribuição, portanto, é equivalente à exitância

total (M). Dessa forma, as curvas ilustram graficamente aquilo que a Lei de Stefan-Boltzmann

expressa matematicamente: quanto maior a temperatura do radiador, maior quantidade de

radiação ele emite.

Da mesma forma que as anteriores, a Lei de Stefan-Boltzmann também é derivável a

partir da Lei de Planck, como uma integração de todos os comprimentos de onda na

Equação 2.19.

2.4.2 - Emissores Espectralmente Seletivos


38

Fontes de radiação óptica seletivas espectralmente são aquelas cuja exitância

espectral radiante não coincidem com uma curva de corpo negro. Mais precisamente, fontes

de radiação óptica seletivas espectralmente possuem, genericamente, uma exitância radiante

confinada a uma faixa relativamente estreita de comprimentos de onda e de freqüências. Um

exemplo típico é o diodo emissor de luz (LED).

Os LED são semi-condutores que emitem radiação óptica, quando são induzidos por

corrente elétrica. A radiação óptica é de faixa estreita (normalmente alguns décimos de

mícrons) e a largura de faixa se modifica em função da magnitude da corrente. O domínio de

comprimentos de onda depende primariamente do material semi-condutor.

2.4.3 - Fontes de Radiação Coerente

Antes do desenvolvimento do laser, fontes ópticas coerentes eram obtidas por meio

de filtragens de fontes seletivas espectralmente. Filtros ópticos passivos com largura de faixa

relativamente estreita já estavam disponíveis então.

Certamente, as aplicações mais significantes de óptica coerente se utilizam de lasers.

Para o nível de detalhamento desta apostila, é suficiente afirmar que a pureza espectral

alcançável por meio de lasers não pode ser obtida por nenhuma outra fonte óptica. Uma série

de aplicações eletro-ópticas atuais seriam impossíveis antes do desenvolvimento do laser .


39

3 INTERAÇÕES DA REM COM A SUPERFÍCIE

Quando a REM incide sobre qualquer superfície, pode interagir com esta de três

modos: refletindo-se na superfície, sendo absorvida pela superfície e transmitindo-se através

da superfície. Tais interações podem ocorrer simultaneamente como ilustra a Figura 3.1.

Aplicando-se o princípio da conservação de energia, pode-se estabelecer a relação entre

essas três interações como sendo:

Qi = Qr (λ) + Qa (λ) + Qt (λ) . (3.1)

onde Qi representa a energia total incidente, Qr a energia refletida, Qa a energia absorvida e Qt

a energia transmitida, todos os componentes sendo função do comprimento de onda.

Qi (λλ) = Energia incidente

Qr(λλ) = Energia refletida

Qa (λλ ) = Energia absorvida Qt (λλ) = Energia transmitida

Qi (λλ) = Qr (λλ) + Qa (λλ) + Q t (λλ)

Fig. 3.1 - Interação entre a REM e feições na superfície terrestre.


No que concerne a essa relação, dois pontos devem ser notados. Em primeiro lugar,

as proporções de energia refletida, absorvida e transmitida irão variar para diferentes objetos,

dependendo do tipo e das condições do material de que são compostos. São essas variações

que permitem distinguir diferentes feições numa imagem.

Em segundo lugar, a dependência com relação ao comprimento de onda significa que,

para um mesmo tipo de material, as proporções de energia refletida, absorvida e transmitida

irão variar para diferentes comprimentos de onda. Assim sendo, dois materiais diferentes


40

podem ser indistiguíveis numa determinada faixa espectral e serem completamente diferentes

noutra faixa.

No Espectro Visível, tais variações espectrais resultam no efeito visual chamado cor.

Por exemplo, chamamos de azuis objetos que possuem alta reflexão na porção azul do

espectro. O mesmo ocorre com o verde e assim sucessivamente. Portanto, o olho humano

utiliza variações espectrais, na magnitude da energia refletida, para discriminar os vários

objetos.

Como muitos sistemas de SR operam em faixas do espectro nas quais predomina a

energia refletida, as propriedades de reflectância de feições na superfície terrestre são muito

importantes. Assim sendo, é comum pensar no balanço energético expresso pela Equação 3.1

na seguinte forma:

Qr (λ) = Qi - [Qa (λ) + Qt (λ)] . (3.2)

ou seja, para um dado objeto, a energia refletida é igual à energia incidente, reduzida das

energias absorvida e transmitida por aquele objeto.

A maneira como um objeto reflete energia é um fator importante que deve ser levado

em consideração. Esse fator é função primária da rugosidade8 superficial do objeto.

Refletores especulares são superfícies lisas que manifestam comportamento

semelhante ao do espelho em relação à luz visível. Neles, o ângulo de reflexão da REM é igual

ao de incidência. Já os refletores difusos, ou lambertianos, são superfícies rugosas que

refletem uniformemente em todas as direções.

8 - Eletromagneticamente, uma superfície é considerada lisa quando obedece o critério de Rayleigh, ou

seja, quando a irregularidade média de sua superfície, de magnitude h , é dada por h 8cos≤ λθ , onde

λ é o comprimento de onda e θ o ângulo de incidência da REM. Uma superfície assim, é chamada especular. Quando ocorre o oposto, a superfície é considerada rugosa (Ulaby et al., 1981). Em outras palavras, uma superfície é especular quando ∆h é muito menor que o comprimento de onda (∆h << λ) e é rugosa, quando ocorre o contrário (∆h >> λ).


41

A maioria das superfícies presentes na Terra, entretanto, não são nem perfeitamente

especulares, nem perfeitamente difusas. Suas características se encontram, via de regra, numa

posição intermediária àqueles dois extremos.

A Figura 3.2 ilustra as características geométricas de refletores especulares, quase-

especulares, quase-difusos e difusos. A categoria que caracteriza qualquer superfície é

determinada pela rugosidade dessa superfície em comparação ao comprimento de onda da

energia nela incidente.

Fig. 3.2 - Reflectância especular versus reflectância difusa.


Por exemplo, para as ondas de rádio, de comprimentos de onda relativamente longos,

terrenos rochosos podem parecer suaves (especulares ou quase-especulares) à energia

incidente. Por outro lado, para a faixa do visível, mesmo a areia mais fina se apresenta rugosa

(difusa ou quase-difusa). Em outras palavras, quando o comprimento de onda da energia

incidente é muito menor que as variações de altura da superfície, essa superfície é difusa.

Quando ocorre o contrário, a superfície é especular.

As reflexões difusas, ao contrário das reflexões especulares, contêm informação

espectral acerca da “cor” da superfície refletora. Portanto, em SR, as atenções estão quase

sempre concentradas na medição das propriedades de reflectância difusa dos objetos.

3.1 - REFLECTÂNCIA ESPECTRAL DA VEGETAÇÃO, SOLO E ÁGUA

As características de reflectância de objetos na superfície terrestre podem ser

quantificadas, medindo-se a porção de energia incidente que é refletida. Tal medição é feita

como função do comprimento de onda e é chamada de reflectância espectral - ρλ.


42

Um gráfico da reflectância espectral de um objeto, em função do comprimento de

onda, é conhecido como curva de reflectância espectral. A configuração dessa curva

denota as características espectrais do objeto e exerce forte influência na escolha da região

espectral na qual os dados de SR deverão ser coletados, visando alguma aplicação em

particular.

A experiência tem mostrado que muitas feições de interesse na superfície terrestre

podem ser identificadas, mapeadas e estudadas, tomando-se por base suas características

espectrais. A experiência também tem mostrado que algumas feições de interesse não podem

ser separadas espectralmente. Assim sendo, para uma efetiva utilização dos dados de SR,

torna-se necessário conhecer e entender as características espectrais das feições sob

investigação, bem como os fatores que influenciam tais características.

A Figura 3.3 ilustra curvas de reflectância espectral típicas para as três feições básicas

encontradas na superfície terrestre: vegetação verde sadia, solo exposto seco e água lacustre

limpa. As linhas apresentadas no gráfico da Figura 3.3 constituem a média da medição de

várias amostras e são representativas das três classes consideradas. Embora a reflectância das

feições, individualmente, varie bastante em torno da média, essas curvas denotam alguns

pontos fundamentais no que diz respeito à reflectância espectral.

Por exemplo, curvas de reflectância espectral de vegetação verde sadia quase sempre

manifestam a configuração de “vales” e “picos” ilustrada na Figura 3.3. Os vales no visível

decorrem dos pigmentos das folhas. A clorofila, por exemplo, aborve fortemente nos

comprimentos de onda de 0,45 e 0,67 µm. Dessa forma, o olho humano percebe a vegetação

sadia como sendo de cor verde, por causa da alta absorção de radiação azul e vermelho,

aliada à forte reflexão da radiação verde pelas folhas.

Se uma planta é submetida a alguma forma de estresse que interrompa seu

crescimento e produtividade normais, isso poderá reduzir ou mesmo cessar a produção de

clorofila. O resultado imediato será a redução da absorção nas bandas azul e vermelho.

Freqüentemente, a reflectância do vermelho cresce ao ponto de tornar a coloração da planta

amarela (combinação de verde e vermelho).


43

Ref

lect

ânci

a (%

)

Fig. 3.3 - Curvas típicas de reflectância espectral para vegetação, solo e

água.


À medida que se prossegue em direção ao infravermelho próximo, a partir de

aproximadamente 0,7 µm, a reflectância da vegetação sadia aumenta bastante. Na faixa entre

0,7 e 1,3 µm, uma folha reflete 40 a 50% da energia incidente sobre ela. A maior parte da

energia remanescente é transmitida, uma vez que a absorção nessa faixa espectral é mínima

(menos de 5 %).

A reflectância das plantas na faixa entre 0,7 e 1,3 µm resulta basicamente da estrutura

interna das folhas. Pelo fato dessa estrutura sofrer grandes variações de espécie para espécie,

medições de reflectância nessa faixa possibilitam a discriminação entre diferentes espécies

vegetais, mesmo que pareçam iguais no visível. Do mesmo modo, várias formas de estresse

afetam as plantas nessa faixa espectral e sistemas sensores podem ser utilizados para a

detecção desses fenômenos.

Após 1,3 µm, a energia incidente na vegetação é essencialmente aborvida ou refletida,

com pouca ou nenhuma transmissão. Depressões na curva de reflectância espectral ocorrem a

1,4; 1,9 e 2,7 µm, devido à forte absorção por parte da água nesses comprimentos de onda

que, por essa razão, são chamados de bandas de absorção d’água. Os picos de reflectância

ocorrem aproximadamente em 1,6 e 2,2 µm, entre as bandas de absorção. Por toda essa

faixa, que se estende após 1,3 µm, a reflectância das folhas está aproximadamente


44

relacionada de forma inversa ao total de água nela contido. Esse total de água, por sua vez, é

função tanto do conteúdo de umidade quanto da espessura da folha.

Na mesma Figura 3.3, a curva do solo exposto e seco mostra um número

consideravelmente menor de picos e vales de reflectância. Significa dizer que os fatores que

influenciam a reflectância do solo atuam sobre um número menor de bandas espectrais

específicas. Alguns desses fatores são o conteúdo de umidade, a textura do solo (proporção

de areia, sedimentos e argila), rugosidade, presença de óxido de ferro e conteúdo de matéria

orgânica.

Esses fatores são complexos, variáveis e interrelacionados. A presença de umidade,

por exemplo, diminui a reflectância do solo. Da mesma forma que ocorre com a vegetação,

esse efeito tem seu máximo nas bandas de absorção d’água de 1,4; 1,9 e 2,7 µm (solos

argilosos também apresentam bandas de absorção de hidroxilas em 1,4 e 2,2 µm).

O conteúdo de umidade está fortemente relacionado à textura do solo: solos pobres e

arenosos normalmente possuem boa drenagem, resultando em baixo conteúdo de umidade e

reflectância relativamente alta; solos de textura fina e de drenagem precária geralmente

apresentam baixa reflectância.

Na ausência de água, entretanto, o solo apresenta uma tendência reversa: solos

arenosos aparecem mais escuros que os argilosos. Assim sendo, as propriedades de

reflectância dos solos somente são consistentes sob certas condições particulares.

Outros fatores que reduzem a reflectância do solo são a sua rugosidade, seu conteúdo

de matéria orgânica e a presença de óxido de ferro (especialmente no visível). Em qualquer

um dos casos, é fundamental que o analista tenha um bom conhecimento das condições

vigentes.

No caso da reflectância espectral da água, provavelmente sua característica mais

distinta é a absorção de energia no infravermelho próximo. A localização e o delineamento de

corpos d’água por dados de SR são feitos mais facilmente no infravermelho próximo, por

causa de sua propriedade de absorção.


45

Várias condições dos corpos d’água, entretanto, se manifestam, acima de tudo, no

visível. As interações energia/matéria nessa faixa espectral são muito complexas e dependem

de inúmeros fatores interrelacionados. A reflectância de um corpo d’água, por exemplo, pode

se originar da interação com a superfície do corpo d’água (reflexão especular), com material

suspenso na água, ou com o fundo do corpo d’água. Mesmo em águas profundas, onde os

efeitos do fundo são negligenciáveis, as propriedades de reflectância de um corpo d’água não

são somente função da água, mas também do material nela contido.

A água limpa absorve relativamente pouca energia abaixo de 0,6 µm. A característica

marcante desses comprimentos de onda está na alta transmitância, cujo máximo ocorre nos

comprimentos concernentes ao azul e ao verde. A presença de matéria em suspensão na água

determina a sua turbidez, e a variação desta altera drasticamente a transmitância e,

conseqüentemente, a reflectância.

Águas contendo grande quantidade de sedimentos em suspensão provenientes da

erosão do solo, por exemplo, normalmente possuem reflectância no visível muito mais alta que

“águas claras” situadas na mesma localização geográfica. Da mesma forma, a reflectância se

modifica em função da quantidade de clorofila presente na água. O aumento da concentração

de clorofila tende a reduzir a reflectância da água no azul e a aumentá-la no verde. Essa

peculiariade tem sido usada para detectar a presença e estimar a concentração de algas

através de dados de SR.

Embora outras importantes características da água - como concentração de oxigênio

dissolvido, pH e salinidade - não possam ser precisadas diretamente por mudanças na sua

reflectância, essas características podem ser, por vezes, correlacionadas com a reflectância

observada. Em outras palavras, há muitas relações complexas entre a reflectância espectral da

água e características particulares desta. Para que se interprete corretamente medidas de

reflectância tomadas sobre corpos d’água, portanto, é mandatório o uso apropriado de dados

de referência.


46

3.2 - PADRÕES DE RESPOSTA ESPECTRAL

Tendo sido apresentadas as características de reflectância espectral da vegetação, do

solo e da água, deve-se reconhecer que essas feições bastante gerais podem ser normalmente

separadas espectralmente. O grau de separação entre os tipos, no entanto, depende

basicamente de “onde se olha” espectralmente. A água e a vegetação, por exemplo, podem

refletir de maneira bem parecida no visível, ainda que tais feições sejam quase sempre

distintas no infravermelho próximo.

Medições de respostas espectrais, feitas por sistemas sensores, de várias feições

permitem, freqüentemente, a avaliação do tipo e/ou condição das feições consideradas. Por

conta dessa possibilidade, essas respostas são freqüentemente denominadas assinatura

espectral. As curvas de reflectância espectral e as curvas de emitância espectral (para

comprimentos de onda superiores a 3 µm) normalmente são referidas dessa forma.

Embora seja verdade que muitas feições terrestres manifestem características de

reflectância espectral e/ou emitância de formas muito distintas, tais características resultam

muito mais em padrões de resposta, do que em assinaturas espectrais. A razão para tal está

no fato de que o termo assinatura tende a embutir um padrão que é absoluto e único.

Certamente não é esse o caso para os padrões espectrais observados no mundo natural. A

experiência tem mostrado que padrões de resposta espectral medidos por sistemas de SR

podem ser quantificados, mas não são absolutos. Podem ainda ser distinguíveis, mas não são

necessariamente únicos.

Embora o termo assinatura espectral seja freqüentemente utilizado na literatura de

SR, o leitor deve ter em mente a variabilidade das assinaturas espectrais. Essa variabilidade

pode causar sérios problemas na análise de dados de SR, especialmente se o objetivo é

identificar, espectralmente, várias feições terrestres.

Caso o objetivo de uma análise seja identificar a condição de vários objetos do

mesmo tipo, a fonte de informações poderá ser exatamente a variação no padrão de resposta

espectral. Um exemplo de aplicação dessa variação está na distinção entre vegetação

estressada e vegetação sadia dentro de uma dada espécie. Assim sendo, é extremamente


47

importante o entendimento acerca da natureza da área sob observação, não somente para

reduzir os efeitos indesejáveis da variabilidade espectral, mas também para realçar essa

variabilidade, quando aplicações particulares a requerem.

Até aqui, foram tratadas algumas características de objetos que, por si só, influenciam

seus padrões de resposta espectral. Efeitos temporais e efeitos espaciais também devem

ser considerados em qualquer análise a ser conduzida. Os efeitos temporais são quaisquer

fatores que mudem as características espectrais de um objeto ou feição ao longo do tempo.

As características espectrais de muitas espécies vegetais, por exemplo, estão num estado

quase contínuo de mudanças durante a estação de crescimento. Essas mudanças

freqüentemente influenciam a coleta de dados de um sistema sensor para uma aplicação

particular.

Os efeitos espaciais, por sua vez, referem-se a fatores que causam, em tipos iguais de

objetos ou feições (culturas agrícolas, por exemplo) e ao mesmo tempo, o aparecimento de

diferentes características em diferentes localizações geográficas. Análises conduzidas em

imageamentos de pequenas áreas podem reduzir os efeitos espaciais. No entanto, quando são

analisadas imagens de satélite, as localizações geográficas podem distar dezenas de

quilômetros umas das outras, onde condições bastante distintas de solo, clima e práticas de

cultivo podem existir. Tal distanciamento pode provocar enormes diferenças nos resultados

daquelas análises.

Os efeitos temporais e espaciais influenciam virtualmente todas as operações de SR.

Esses efeitos normalmente complicam a tarefa de analisar as propriedades de reflectância de

recursos terrestres. Entretanto eles podem, algumas vezes, constituir a chave na obtenção de

informações. O processo de detecção de mudanças, por exemplo, baseia -se na premissa de

se ter a capacidade de medição de efeitos temporais. Um típico exemplo desse processo está

em estudos de acompanhamento do desenvolvimento de áreas suburbanas próximas a um

centro metropolitano (mancha urbana), que consiste na utilização de dados de diferentes

datas.

Um exemplo de efeito espacial bastante útil está na mudança morfológica das plantas

quando essas estão submetidas a alguma forma de estresse. Quando parte de uma cultura de


48

razoável extensão está infectada por alguma doença que provoque modificação na estrutura

original de suas folhas, haverá uma sensível mudança no padrão de resposta espectral da

porção infectada em relação à cultura como um todo. Nesse caso, o efeito espacial pode ser

justamente o ponto mais importante para uma dada aplicação em particular.

3.3 - INFLUÊNCIA DA ATMOSFERA NOS PADRÕES DE RESPOSTA ESPECTRAL

Além das influências causadas pelas características espectrais e pelos efeitos temporal

e espacial, os padrões de resposta espectral também são afetados pela atmosfera. A energia

gravada por qualquer sistema sensor é sempre modificada de alguma forma pela atmosfera

presente entre o alvo e o sistema sensor. Naturalmente, a significância desse efeito varia de

sensor para sensor. Neste trabalho, será dado um tratamento genérico que proporcione ao

leitor um entendimento da natureza dos efeitos atmosféricos.

A Figura 3.4 ilustra a situação típica encontrada quando um sistema sensor grava a

energia solar refletida por um alvo na superfície. A atmosfera afeta o brilho (radiância) de

qualquer alvo disposto na superfície de duas maneiras paradoxais. Primeiro, ela atenua a

energia que “ilumina” a superfície, e que será refletida, em seguida, pelos objetos. Em

seguida, a atmosfera atua como um refletor, adicionando uma radiância extra na trajetória que

leva ao sensor, provocada por efeito de espalhamento (vide 4.1).

Ao expressar esses dois efeitos atmosféricos matematicamente, a radiância total

gravada pelo sistema sensor pode estar relacionada à reflectância do objeto na superfície e à

radiação recebida, ou irradiância, através a seguinte equação:

LE

L .tot t= +ρ τ

π (3.3)

onde:

Ltot = radiância espectral total medida pelo sensor

ρ = reflectância do objeto

τ = transmitância atmosférica

Lt = radiância do trajeto a partir da atmosfera (e não do objeto)


49

Fig. 3.4 - Efeito atmosférico sobre medições da REM solar refletida.


Note-se que todos os fatores acima dependem do comprimento de onda. Além disso,

conforme mostra a Figura 3.4, a irradiância (E) é proveniente de duas fontes: (1) luz solar

diretamente refletida e (2) luminosidade do céu, que nada mais é que a luz solar previamente

espalhada pela atmosfera. O relativo domínio da luz solar sobre a luminosidade em qualquer

imagem é fortemente dependente das condições meteorológicas. Da mesma forma, a

irradiância varia com as mudanças sazonais no ângulo de elevação e com a variação de

distância entre a Terra e o Sol.

sensor

(5) Radiância Total

LE

Ltot t= +ρ τπ

(3) Energia refletida

ρ τπE

Radiância da trajetória Lt

(1) Radiação incidente E (com fator de atenuação)

Radiação solar difusa Radiação

solar

(2) Elemento de reflectância ρ na


50

4 INTERAÇÕES DA REM COM A ATMOSFERA

Independentemente da fonte, toda REM detectada por sistemas sensores passa

através de algum trecho da atmosfera terrestre. O comprimento dessa trajetória pode variar

bastante. Fotografias tomadas a partir do espaço, por exemplo, representam a energia

proveniente do Sol e refletida pelo objeto, tendo cruzado a atmosfera duas vezes, desde a

fonte até o sensor. Por outro lado, um imageador termal aerotransportado detecta diretamente

a energia proveniente de um alvo na superfície, envolvendo, portanto, um percurso

atmosférico relativamente curto.

A influência direta da atmosfera varia com as diferenças nos percursos considerados,

bem como em função da magnitude do sinal sendo observado, condições amosféricas e

comprimentos de onda envolvidos.

Deve-se ter em mente que, devido à natureza variada dos efeitos atmosféricos, esse

assunto deve ser tratado segundo uma abordagem caso a caso, conforme o sistema sensor

considerado. Neste trabalho, será introduzida a noção de que a atmosfera pode ter um efeito

profundo sobre a intensidade e a composição espectral da REM, entre outras coisas. Esses

efeitos são causados principalmente pelos mecanismos atmosféricos conhecidos como

espalhamento e absorção.

4.1 - ESPALHAMENTO

O fenômeno do espalhamento atmosférico nada mais é que a difusão, de forma

aleatória, da radiação por partículas na atmosfera.

O espalhamento Rayleigh ocorre quando a radiação interage com moléculas e outras

minúsculas partículas na atmosfera que são bem menores, em diâmetro, que o comprimento

de onda da radiação incidente. O efeito do espalhamento Rayleigh é inversamente

proporcional à quarta potência do comprimento de onda. Assim sendo, há uma forte

tendência para que os comprimentos de onda menores sofram mais o efeito do espalhamento

do que os maiores.


51

Um dia ensolarado com “céu azul” (ciano, na verdade) é uma manifestação do

espalhamento Rayleigh. Na ausência de espalhamento, o céu seria negro. Entretanto, como a

luz solar interage com a atmosfera terrestre, esta espalha os menores comprimentos de onda

(azul) de forma mais preponderante que outros comprimentos de onda do Espectro Visível.

Conseqüentemente, vemos o “céu azul”.

No entanto, tanto no nascer-do-sol como no pôr-do-sol, a radiação solar atravessa

um percurso maior que aquele do meio-dia. Por causa desse percurso maior, o espalhamento

(e a absorção) dos comprimentos de onda menores é tão completo, que só conseguimos ver

aqueles menos espalhados, de maiores comprimentos de onda, dando à atmosfera uma

coloração laranja-avermelhada.

O espalhamento Rayleigh é uma das causas primárias da “névoa” observada em

imagens. Visualmente, essa névoa reduz drasticamente o contraste de uma imagem. Em

fotografias coloridas, o resultado é uma coloração cinza-azulada, particularmente quando

tomada a partir de grandes altitudes. A névoa provocada pelo espalhamento Rayleigh pode

ser minimizada, ou até mesmo eliminada através do uso de filtros que restringem a passagem

dos comprimentos de onda menores.

Outro tipo de espalhamento, o de Mie, ocorre quando as partículas existentes na

atmosfera possuem diâmetros essencialmente de mesmo tamanho dos comprimentos de onda

da radiação incidente. As maiores causas do espalhamento Mie são vapor d’água e poeira em

suspensão na atmosfera. Esse tipo de espalhamento tende a influenciar comprimentos de onda

maiores, se comparado ao espalhamento Rayleigh. Ao contrário deste, que é associado a um

céu “limpo”, o espalhamento Mie ocorre quando há tênues coberturas de nuvens.

Um fenômeno mais problemático é o espalhamento não-seletivo, que tem lugar

sempre que o diâmetro das partículas em suspensão é bem maior que a radiação considerada.

Gotas d’água, por exemplo, provocam esse tipo de espalhamento. Como elas normalmente

possuem diâmetros que variam entre 5 e 100 µm, espalham radiação de todos os

comprimentos de onda desde o visível até o infravermelho médio quase que indistintamente.

Conseqüentemente, o espalhamento é não-seletivo no que diz respeito ao comprimento de


52

onda. Na faixa do visível, o espalhamento não-seletivo afeta igualmente o azul, o verde e o

vermelho, razão pela qual nuvens e nevoeiros apresentam a cor branca.

4.2 - ABSORÇÃO

Em contraste com o fenômeno do espalhamento, a absorção resulta na efetiva perda

de energia da radiação para os constituintes atmosféricos. A absorção normalmente ocorre

em comprimentos de onda específicos. Os absorvedores de radiação solar mais eficientes são

o vapor d’água, o dióxido de carbono e o ozônio. Pelo fato desses gases tenderem a

absorver REM em comprimentos de onda específicos, eles influenciam fortemente a faixa de

espectral a ser “observada” por qualquer sistema de SR. As faixas espectrais nas quais a

atmosfera é particularmente transparente para a REM são denominadas janelas

atmosféricas.

A Figura 4.1 mostra a relação entre fontes de energia e características de absorção

da atmosfera. A Figura 4.1a mostra a distribuição espectral da energia emitida pelo Sol e pela

superfície terrestre. Essas duas curvas representam as fontes mais comuns de REM (sistemas

passivos) para fins de SR. Na Figura 4.1b, aparecem sombreadas as faixas espectrais nas

quais a atmosfera bloqueia a REM. A aquisição de dados de SR está limitada, portanto,

àquelas faixas espectrais não bloqueadas, as janelas atmosféricas.

Note-se que a sensibilidade espectral para o olho humano (Espectro Visível)

coincide, ao mesmo tempo, com uma janela atmosférica e com o pico da energia proveniente

do Sol. O calor (radiação termal) emitido pela Terra, ilustrado pela pequena curva em 4.1a,

pode ser detectado através das janelas situadas de 3 a 5 µm e de 8 a 14 µm.

Os “scanners” multiespectrais detectam, simultaneamente, várias faixas estreitas do

espectro, podendo abranger vários segmentos desde o visível até o infravermelho termal. A

partir de 1 mm até 1 m, região onde operam os sistemas sensores de microondas, há uma

janela atmosférica praticamente ininterrupta.


53

Ene

rgia

Tra

nsm

issã

o

Energia do Sol (6000 K)

Energia da Terra (300 K)

Comprimento de Onda(a) Fontes de Energia

(b) Transmitância Atmosférica

Comprimento de Onda

Energia Bloqueada

UV

Vis

ível

I V

UV Vis

ível

I V

Fig. 4.1 - Características espectrais de (a) fontes de energia e (b) efei-tos

atmosféricos. (Note-se que a escala é logarítmica.)


O ponto mais importante a ser notado na Figura 4.1 é a interação e a

interdependência entre as fontes primárias de REM, as janelas atmosféricas e a sensibilidade

espectral dos sistemas sensores disponíveis para detectar e gravar essa radiação.

Não se pode simplesmente definir arbitrariamente um sistema sensor para qualquer

tipo de tarefa de SR. Antes, se faz necessário considerar (1) a sensibilidade espectral do

sistema sensor envolvido, (2) a presença ou ausência de janelas espectrais na faixa onde a

atividade de SR é desejada, e (3) a fonte, a magnitude e a composição espectral da REM

disponível na faixa em questão. Por fim, a escolha da faixa espectral do sensor deve se basear

na maneira pela qual a REM interage com os objetos sob investigação, como foi mostrado

anteriormente, na Seção 3.


54

5 AQUISIÇÃO E INTERPRETAÇÃO DE DADOS

Até aqui, foram discutidas as principais fontes de energia eletromagnética, a

propagação dessa energia pela atmosfera e sua interação com alvos na superfície terrestre.

Combinados, esses fatores resultam em sinais de energia, dos quais se pretende extrair

informações. A partir de agora, serão considerados os procedimentos pelos quais os sinais

são detectados, gravados e interpretados.

A detecção de energia eletromagnética pode ser realizada tanto fotograficamente

como eletronicamente. O processo fotográfico utiliza reações químicas na superfície de um

filme foto-sensível para detectar variações de energia numa cena. Os sistemas fotográficos

oferecem muitas vantagens: são relativamente simples, de baixo custo e propiciam um grau de

detalhamento espacial e integridade geométrica da imagem.

Os sensores eletrônicos geram um sinal elétrico que corresponde às variações de

energia na cena original. Um exemplo familiar de sensor eletrônico é a câmera de vídeo.

Embora muito mais complexa e cara que sistemas fotográficos, sistemas eletrônicos oferecem

como vantagem: (1) faixas espectrais mais amplas, (2) maior potencial de calibração e

(3) capacidade de transmissão eletrônica dos dados gerados.

Ao se processar uma fotografia, uma gravação dos sinais por ela detectados é obtida.

Assim sendo, o filme age, a um só tempo, como meio de detecção e de gravação. Os sinais

de sensores eletrônicos, por outro lado, são geralmente gravados em fitas magnéticas.

Conseqüentemente, os sinais podem ser convertidos no formato de uma imagem

fotografando-se a tela de um monitor, ou utilizando-se um gravador de filmes específico para

esse tipo de tarefa. Nesses casos, o filme fotográfico é utilizado apenas como meio de

gravação, e não mais de detecção.

Em Sensoriamento Remoto, o termo fotografia é reservado exclusivamente para

imagens que foram detectadas e gravadas em filme. O termo imagem, mais genérico, é

utilizado para qualquer representação pictorial de dados de imagem. Dessa forma, uma

gravação pictorial de um scanner termal (sensor eletrônico) poderia ser chamada de uma

imagem termal e não uma fotografia termal, por que o filme poderia não ser o mecanismo


55

de detecção original da imagem considerada. Como o termo imagem diz respeito a qualquer

produto pictorial, todas as fotografias são imagens. Nem todas as imagens, entretanto, são

fotografias.

Note-se que os aspectos relacionados à interpretação de dados de SR podem

envolver tanto a análise de dados pictoriais (imagens) como digitais. A interpretação visual

dos dados de uma imagem pictorial tem sido, há muito tempo, o carro-chefe do SR. Técnicas

de interpretação visual fazem uso da excelente habilidade da mente humana em avaliar

qualitativamente os padrões espaciais numa imagem. A habilidade de emitir julgamentos

subjetivos baseados em elementos seletivos da imagem é essencial em várias práticas de

interpretação.

Contudo, técnicas de interpretação visual têm certas desvantagens, na medida em que

elas podem requerer treinamento e trabalho intensivos. Além disso, características espectrais

não podem ser sempre totalmente avaliadas nos trabalhos de interpretação visual. Em parte,

isso ocorre por causa da limitação natural do olho humano em discrimar tonalidades numa

imagem e da dificuldade para um intérprete em analisar, simultaneamente, imagens

multiespectrais. Em aplicações onde padrões espectrais são altamente informativos, uma

análise digital é preferível em relação à análise pictorial dos dados.

A característica básica de dados de imagens digitais é ilustrada na Figura 5.1. Nela,

pode-se observar que, em (a), uma fotografia que parece ter uma tonalidade contínua é, na

verdade, composta de uma matriz bidimencional discreta de elementos de imagem, ou pixels.

A intensidade de cada pixel equivale ao brilho médio, ou radiância, medido eletronicamente

sobre a área na superfície terrestre correspondente a cada pixel.

Na Figura 5.1 (a), é mostrado um total de 320 linhas e 480 colunas de pixels.

Enquanto é impossível a distinção individual dos pixels nessa Figura, as ampliações mostradas

na Figura 5.1 (b) e (c) apresentam pixels prontamente notáveis. Essas ampliações

correspondem a áreas menores, vizinhas ao ponto “X” destacado na imagem (a). Em (b), a

ampliação possui 19 linhas por 27 colunas, enquanto a ampliação apresentada em (c) é de 10

linhas por 15 colunas. Em (d), são apresentados os números digitais individuais

correspondentes à radiância média registrada em cada pixel mostrado em (c).


56

Fig. 5.1 - Características de uma imagem digital. (a) Imagem digital

original. (b) Ampliação mostrando um trecho de 20 linhas por

30 colunas de área nas proximidades do “X” na imagem

original (a). (c) Ampliação de 10 linhas por 15 colunas.

(d) Níveis de cinza correspondentes à radiância de cada pixel

apresentado em (c).



57

54 40 31 27 27 28 39 51 52 50 45 25 24 24 23

55 37 37 35 31 27 26 35 58 66 38 13 17 21 19

56 40 39 45 39 32 27 26 36 52 50 28 14 13 14

52 39 33 42 49 48 36 31 26 33 51 51 31 16 16

42 34 24 30 60 67 49 33 27 28 31 47 51 35 24

26 29 26 44 76 76 49 37 33 30 29 29 44 52 44

14 31 36 50 85 70 36 37 38 30 25 29 28 40 52

20 31 39 51 72 56 35 35 37 35 31 27 29 31 36

21 26 36 46 58 49 37 35 36 37 34 33 26 29 30

21 20 29 43 54 53 40 31 30 32 30 29 24 22 27

Fig. 5.1 - (Continuação).

Tais valores resultam da quantização do sinal elétrico original proveniente do sensor

em valores inteiros positivos utilizando um processo denominado conversão de sinal

analógico-digital (conversão A/D).

A Figura 5.2 é uma representação gráfica do processo de conversão A/D. O sinal

elétrico oriundo do sensor é um sinal analógico contínuo (como se pode observar pela linha

contínua plotada na figura). Esse sinal contínuo é amostrado num dado intervalo de tempo

(∆T) e gravado numericamente a cada ponto de amostragem (a, b, ... , j, k). A taxa de

amostragem para um sinal em particular é determinada pela maior freqüência de mudança no

sinal. Essa taxa de amostragem deve ser no mínimo duas vezes a mais alta freqüência presente

no sinal original, para que se possa representar adequadamente a variação do mesmo.

A Figura 5.2 ilustra o sinal de entrada em termos de variação de voltagem entre

0 e 2 V. O valor de saída do sinal é amostrado em valores inteiros que variam entre 0 e 255,

representando gradações de níveis de cinza entre o preto (0) e o branco (255). Um sinal

detectado, cuja voltagem resultante é de 0,46 V, por exemplo, teria sido gravado como nível

de cinza 59.

(d)


58

Fig. 5.2 - Processo de conversão analógico-digital (A/D).


Os níveis de cinza que formam uma imagem digital são gravados em intervalos

numéricos que podem variar de 0 a 63, 0 a 127, 0 a 255, 0 a 511, ou de 0 a 1023. Esses

intervalos representam os conjuntos de inteiros que podem ser gravados, utilizando-se

códigos binários de 6, 7, 8, 9, ou 10 bits, respectivamente. Em tais formatos, os dados

contidos nas imagens podem ser rapidamente analisados com a ajuda de um computador.

O uso de técnicas assistidas por computador permite análises mais aprofundadas de

padrões espectrais de dados de SR. Também permite a automação no processo de análise,

possibilitando vantagens de custo sobre as técnicas de interpretação visual. Entretanto, da

mesma forma que os seres humanos possuem limitações na habilidade de interpretar padrões

de resposta espectral, computadores ainda são limitados para avaliar padrões espaciais.

Assim sendo, as técnicas visuais e digitais são complementares por natureza, e considerações

criteriosas devem ser feitas antes de definida a abordagem (ou combinação de abordagens) a

ser adotada para uma determinada aplicação.

5.1 - DADOS DE REFERÊNCIA

Raramente, se muito, o SR é utilizado sem o auxílio de algum dado de referência. A

aquisição desses dados envolve medições ou observações acerca de objetos, áreas ou

fenômenos que estejam sendo sensoriados remotamente.

ENTRADA (sinal contínuo)

valor discreto de amostragem

curva analógica contínua intervalo de

tempo

SAÍDA (série de valores)


59

Esses dados podem ter variadas formas e podem derivar de diferentes fontes. Por

exemplo, os dados necessários para uma análise em particular podem ser oriundos de um

mapa de solos, um relatório laboratorial sobre a qualidade de determinada água, ou de uma

fotografia aérea. Também podem ser provenientes de um trabalho de campo sobre a

identidade, extensão, e condição de culturas vegetais, uso da terra, inventário florestal ou

poluição aquática.

Dados de referência também podem envolver medições de campo sobre a

temperatura ou quaisquer outras propriedades físico-químicas de várias feições. As posições

geográficas nas quais essas medições são conduzidas são freqüentemente anotadas numa

base cartográfica, a fim de facilitar sua localização numa imagem correspondente a posteriori.

Atualmente, visando uma maior precisão aliada a uma maior simplicidade, receptores GPS

(“Global Positioning System” - Sistema de Posicionamento Global) são utilizados de forma

cada vez mais crescente.

Dados de referência são usualmente denominados verdade terrestre. Esse termo não

tem significado literal, uma vez que várias formas de dados de referência não são coletados na

superfície e podem, no máximo, se aproximar das condições reais da superfície. Por exemplo,

a verdade terrestre pode ser coletada no ar, sob a forma de fotografias aéreas detalhadas e

utilizadas como dados de referência em relação a imagens de resolução espacial mais pobre,

como fotografias aéreas de grande altitude ou imagens de satélite.

De maneira similar, a verdade terrestre vem a ser “verdade aquática” ao se estudar

feições em corpos d’água. Entretanto, a despeito dessas imprecisões o termo verdade

terrestre é amplamente utilizado para os dados de referência.

Dados de referência podem ser utilizados para um ou até mesmo todos os seguintes

propósitos:

1. Auxiliar na análise e interpretação de dados de SR;

2. Calibrar um sensor; e

3. Verificar informações extraídas de dados de SR.


60

Para que assim seja, dados de referência devem ser coletados em concordância com

os princípios estatísticos de amostragem.

5.2 - O SISTEMA IDEAL DE SENSORIAMENTO REMOTO

Após terem sido introduzidos alguns conceitos básicos, o leitor tem, à sua disposição,

os elementos necessários para formular um sistema ideal de SR. Fazendo isso, o estudioso de

SR estará apto a apreciar alguns dos problemas encontrados no projeto e na aplicação de

vários sistemas reais de SR com que virá a se deparar no futuro. Entender a utopia de um

sistema ideal é, portanto, um exercício da maior importância.

Os componentes básicos de um sistema ideal são ilustrados na Figura 5.3 e são os

seguintes:

1. Uma fonte de energia uniforme. Essa fonte poderia prover energia em todos os

comprimentos de onda, em grande quantidade, de forma constante e conhecida,

independentemente de tempo e lugar.

2. Uma atmosfera transparente. Seria uma atmosfera que não provocaria mudanças de

qualquer ordem na energia proveniente da fonte, estivesse essa energia a caminho da

superfície terrestre, ou partindo dela. Novamente, seria independente de comprimento

de onda, tempo, lugar e da altitude de aquisição envolvida.

3. Uma série única de interações energia X matéria na superfície terrestre. Essas

interações gerariam sinais refletidos e/ou emitidos que não só seriam seletivos com

respeito ao comprimento de onda, mas também seriam conhecidos, invariáveis e únicos

para cada um dos tipos e subtipos de feições existentes na superfície terrestre.

4. Um super-sensor. Seria um sensor altamente sensível a todos os comprimentos de

onda, capazes de produzir dados com altas resoluções espacial, espectral e

radiométrica, ao longo de todo o espectro. Um super-sensor como esse seria simples

tanto na construção como na operação e confiável, requerendo virtualmente nenhuma

fonte de energia para fins de operação, e também sem ocupar qualquer espaço físico.


61

5. Um sistema de processamento de dados em tempo real. Num sistema como esse,

assim que uma resposta radiância X comprimento de onda fosse gerada sobre um

elemento de superfície, essa seria processada num formato facilmente interpretável e

seria reconhecida como única para o elemento de superfície em particular do qual foi

gerada. Tal processo ocorreria quase que instantaneamente (em tempo real), permitindo

informação em tempo útil. Em função da natureza consistente das interações

energia X matéria, não haveria necessidade de dados de referência nos

procedimentos de análise. Os dados derivados permitiriam inferir no estado físico-

químico-biológico de cada feição de interesse.

6. Múltiplos usuários dos dados. Essas pessoas teriam uma bagagem de conhecimentos

de grande profundidade, tanto em suas respectivas disciplinas, quanto nas técnicas de

aquisição e análise de dados de SR. O mesmo conjunto de dados se converteria em

informação para diferentes usuários, dada a grande capacidade de conhecimento destes

acerca dos recursos sob investigação. Tal informação estaria disponível a esses

usuários de maneira mais rápida, mais barata, e sobre áreas maiores do que as

informações disponíveis em qualquer outro formato. De posse da informação, os vários

usuários estariam aptos a estabelecer e implementar decisões corretas e de longo

alcance sobre como gerenciar os alvos sob investigação.

Infelizmente, um sistema ideal de SR, da forma como foi descrito acima, não existe.

Os sistemas reais de SR estão bem distantes do ideal em todos os pontos apresentados.

(1) Fonte de energia uniforme

λ λ

(2) Atmosfera

transparente

resposta única para cada

feição

(5) Sistema de processamento de dados em

(6) Múltiplos usuários dos

(3) Interações únicas da energia incidente com feições

na superfície terrestre

energia refletida e emitida

(4) Super-sensor


62

Fig. 5.3 - Componentes de um sistema ideal de SR.


5.3 - CARACTERÍSTICAS DE SISTEMAS REAIS DE SENSORIAMENTO REMOTO

Para melhor entendimento acerca da operação e da utilidade comum a todos os

sistemas reais de SR, serão assumidas algumas simplificações que, com respeito ao sistema

ideal formulado, são apresentadas a seguir:

1. A fonte de energia. Todos os sistemas passivos de SR baseiam-se na energia refletida

e/ou emitida pelas diversas feições na superfície. Conforme já foi discutido, a

distribuição espectral da radiação solar refletida e daquela emitida pelos objetos estão

longe de ser uniformes. Os níveis de radiação solar obviamente variam em função do

tempo e do lugar, e os diferentes materiais na superfície terrestre emitem radiação em

diferentes níveis de eficiência (emissividade). Ao mesmo tempo em que se tem algum

controle sobre a natureza das fontes de energia para sistemas ativos, as fontes de

energia utilizadas em todos os sistemas reais de SR não são, via de regra, uniformes no

que diz respeito ao comprimento de onda. Além disso, suas propriedades variam em

função do tempo e do lugar considerados. Conseqüentemente, é necessário conduzir

uma calibração de sensores quanto às características da fonte, numa base missão-a-

missão, ou simplesmente lidar com unidades relativas de energia.

2. A atmosfera. A atmosfera normalmente compõe os problemas introduzidos por

variações na fonte de energia. De certa forma, a atmosfera sempre altera a intensidade

e a distribuição espectral da REM recebida por um sensor. Ela restringe onde se quer

observar espectralmente, e seus efeitos com o comprimento de onda, tempo e lugar. A

importância desses efeitos, similarmente aos efeitos provocados pela variação na fonte

de energia, é função do comprimento de onda, do sensor utilizado, e da aplicação que

se tem em mente. A eliminação ou a compensação de efeitos atmosféricos via algum

tipo de calibração é particularmente importante na aplicações onde a repetitividade nas

observações de uma mesma área está envolvida.


63

3. As interações energia X matéria na superfície terrestre. O Sensoriamento

Remoto seria bastante simples se cada material refletisse e/ou emitisse REM de uma

forma única e conhecida. Embora os padrões de resposta espectral (assinaturas)

desempenhem um papel relevante na detecção, identificação e na análise de materiais

na superfície, o universo espectral está repleto de ambigüidades. Tipos de materiais

radicalmente distintos uns dos outros podem apresentar uma grande similaridade

espectral, tornando difícil o trabalho de diferenciação. Além do mais, o entendimento

das interações entre energia e matéria para as feições terrestres está num nível

elementar para alguns materiais e virtualmente não existe para outros.

4. O sensor. A esta altura, não constitui qualquer surpresa a afirmação de que um super-

sensor simplesmente não existe. Nenhum sensor isolado é sensível a todos os

comprimentos de onda. Todos os sensores reais possuem limites fixos de sensibilidade

espectral. Eles também possuem um limite de quão pequeno um objeto na superfície

pode ser percebido individualmente. Esse limite, denominado resolução espacial de

um sensor, é uma indicação de seu nível de capacidade em registrar detalhes de

natureza espacial.

A escolha de um sensor, para qualquer tarefa, sempre envolve compromissos. Por

exemplo, sistemas fotográficos possuem, em geral, ótimas características de resolução

espacial, mas carecem de maior sensibilidade (abrangência) espectral, possível com

sistemas não-fotográficos que, por sua vez, apresentam fracas características de

resolução espacial. De maneira similar, muitos sistemas não-fotográficos (e alguns

sistemas fotográficos) são bastante complexos óptica, mecânica e/ou eletronicamente

falando.

Eles podem ter, ainda, restrições quanto a potência, espaço físico e requisitos de

estabilidade. Tais requisitos freqüentemente ditam o tipo de plataforma, ou de veículo, a

partir do qual um sensor pode ser operado. As plataformas podem variar desde uma

simples escada até uma estação espacial. Dependendo da combinação

sensor/plataforma necessária a uma dada aplicação, a aquisição de dados de SR

podem ser um esforço extremamente caro.


64

5. O sistema de processamento de dados. A capacidade atual de gerar dados excede

com folga a capacidade corrente de processar esses mesmos dados. Isso é verdade

tanto se forem considerados os procedimentos de interpretação visual ou análises

assistidas por computador. O processamento de dados de SR num formato

interpretável pode ser - e normalmente é - um esforço que requer raciocínio,

instrumentação, tempo, experiência e dados de referência consideráveis.

Embora muitos processamentos possam ser realizados por máquinas, a intervenção

humana no processamento dos dados de SR é, e continuará a ser, essencial à aplicação

produtiva destes.

6. Os múltiplos usuários dos dados. As pessoas que utilizam os dados gerados por

qualquer sistema de SR são essenciais à aplicação bem-sucedida desse sistema. Os

dados gerados por procedimentos de SR somente se tornam informação se e quando

alguém possui um bom entendimento acerca de sua geração, interpretação e melhor

forma de utilização. Um entendimento detalhado do problema a ser solucionado é

mister para a aplicação produtiva de qualquer método de SR. Além disso, não há

combinação simples de procedimentos de aquisição e análise de dados que satisfaça as

necessidades de todos os usuários desses dados.

Considerando que a interpretação de fotografias aéreas têm sido utilizadas como

uma prática fonte de informações há cerca de um século, as outras formas de SR são

meios para adquirir informação relativamente novos, técnicos e fora do convencional.

Essas fontes mais novas de SR têm satisfeito muito poucos usuários até recentemente, o

que afasta-os do modelo ideal mencionado na Seção anterior.

Entretanto, à medida que novas aplicações continuam a ser desenvolvidas e

implementadas, um número cada vez mais crescente de usuários está atento ao

potencial, da mesma forma que às limitações, das técnicas de SR.

5.4 - A CORRETA UTILIZAÇÃO DO SENSORIAMENTO REMOTO

Pode-se dizer que a aplicação bem-sucedida do SR tem como premissa básica a

integração de fontes de dados e procedimentos de análises múltiplos e interrelacionados.


65

Dentre as aplicações apropriadas, há uma grande variedade de abordagens para aquisição de

dados e procedimentos de análise.

Conceitualmente, todos os esforços bem-sucedidos de SR envolvem, no mínimo:

1. Clara definição do problema a resolver;

2. Avaliação da possibilidade de solução do problema com técnicas de SR;

3. Identificação dos procedimentos adequados de aquisição de dados de SR para a

tarefa;

4. Determinação dos procedimentos de interpretação dos dados a serem empregados e

os dados de referência necessários; e

5. Identificação do critério pelo qual a qualidade da informação pode ser julgada.

Na prática, entretanto, um ou mais dos ítens acima são freqüentemente super-

expostos, sendo mais valorizado (s) em detrimento dos restantes. O resultado disso pode ser

desastroso. É muito comum, por exemplo, a ausência de meios para avaliar a performance de

sistemas de SR em termos da qualidade da informação gerada. Também é muito comum se

adquirir uma quantidade de dados bem superior à capacidade real de interpretá-los.

O sucesso de muitas aplicações em SR é aumentado consideravelmente quando

adotada uma abordagem múltiplo-enfoque para a aquisição de dados. Isso pode requerer a

utilização de múltiplos níveis de aquisição (diferentes altitudes). Pode envolver também

sensoriamento multiespectral ou, ainda, sensoriamento multitemporal.

Na abordagem multinível, dados de satélite podem ser analisados em conjunto com

dados obtidos a grande altitude, baixa altitude, e observações de superfície. Cada fonte

sucessiva de dados permite o acesso a informações mais detalhadas sobre áreas cada vez

menores no terreno. A informação extraída dos níveis mais baixos de observação podem ser

extrapoladas para os níveis mais altos.

Em suma, mais informação pode ser obtida por meio da análise de múltiplos enfoques

do terreno, ao invés da observação singular do mesmo. Num ponto de vista similar, o


66

imageamento multiespectral disponibiliza muito mais informação do que somente aquela

proveniente de uma banda simples. O “scanner” multiespectral é um sensor que adquire

dados de múltiplas bandas espectrais simultaneamente. Quando os sinais gravados nas

múltiplas bandas são analisados conjuntamente, mais informações se tornam disponíveis do

que se somente uma banda estivesse sendo empregada, ou se as várias bandas estivessem

sendo analisadas independentemente. A abordagem multiespectral constitui o coração de

inúmeras aplicações de SR envolvendo a discriminação de tipos e condições de objetos

dispostos na superfície.

Da mesma forma, a abordagen multitemporal prevê a visitação de um mesmo local

duas ou mais vezes, utilizando as mudanças que ocorrem ao longo do tempo como fator

discriminante das condições observadas na superfície. Essa abordagem é tomada

freqüentemente para monitorizar mudanças no uso do solo, como desenvolvimento periférico

urbano, por exemplo.

Em qualquer abordagem aplicada ao SR, não se deve apenas estabelecer a

combinação correta de técnicas de aquisição e interpretação de dados, mas também a

combinação correta de técnicas modernas de SR e aquelas ditas “convencionais”. O

especialista deve ter em mente que o SR é uma ferramenta que produz melhores resultados

quando utilizada em conjunto com outras, e não como tendo um fim em si mesma.

Essa realidade motivou enormemente a evolução dos Sistemas de Informações

Geográficas (SIG’s) que, reunindo vários planos de informação sobre um mesmo objetivo

com suporte computacional, permite a síntese, análise e a comunicação de uma quantidade

virtualmente ilimitada de dados. Basta que lhes seja aplicável uma georreferenciação, ou seja,

sua disposição numa base cartográfica comum a todos os outros planos de informação.

O Sensoriamento Remoto nos dá, literalmente, a capacidade de ver o invisível. Além

disso, o SR transcende as fronteiras disciplinares, tornando-se tão vasto em suas

possibilidades de aplicação que se torna inútil tentar denotá-lo como uma ferramenta

puramente civil (monitoramento ambiental, de safras agrícolas, de catástrofes, de poluição

marinha, estudos geológicos, entre outros) ou eminentemente militar (inteligência de imagens).


67

É uma questão óbvia e menor o fato de que o SR continuará a desempenhar um papel

crescente nos processos de decisão, sejam esses de caráter estratégico ou não. A evolução

tecnológica de sistemas sensores, plataformas espaciais, sistemas de comunicações, sistemas

de posicionamento global, sistemas de processamento de imagens digitais e sistemas de

informações geográficas ocorre numa base quase que diária. Resta aos reais e potenciais

usuários desse tipo de tecnologia manter a capacidade de utilização da mesma, a fim de

acompanhar todo o processo de maneira efetiva.


68

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