Aula 6 Modificada
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IGOT DETECÇÃO REMOTA = TELEDETECÇÃO = SENSORIAMENTO REMOTO DETECÇÃO REMOTA IGOT É a ciência, o conjunto das tecnologias, e a arte, que permite obter informação sobre objectos, áreas ou fenómenos, através da análise de informação adquirida por aparelhos de observação (sensores) sem contacto com o objecto, área, ou fenómeno em estudo. O que é a detecção remota? IGOT Source: http://www.geog.ucl.ac.uk/~mdisney/ Principais características: IGOT • Separação física entre o sensor e o alvo; • Meio = radiação electromagnética (o sonar é uma excepção); • Equipamento para medir a radiação (sensor); • O alvo é o ambiente terrestre ??? (atmosfera, oceanos, superfície terrestre). IGOT Aquisição de dados: • • • • • • fonte de energia propagação de energia na atmosfera interacção da energia com a superfície da Terra retransmissão da energia na atmosfera sensores baixa e alta altitude dados digitais Análise de dados: • • • • visualização / interpretação dados de referência compilação de dados (SIG) utilizadores -> decisão IGOT Qual o interesse da detecção remota? • Fonte de informação espacial e temporal (superfície da Terra, oceanos, atmosfera, gelos) • Monitorizar e conhecer os sistemas ambientais (medição e modelação) • Informação pode ser precisa, actualizada, e consistente • Acesso remoto • Dados históricos (1960s/70s+) • Derivação de dados quantitativos IGOT ORIGENS DA DETECÇÃO REMOTA IGOT ORIGENS DA DETECÇÃO REMOTA A Primeira Imagem de Detecção Remota Árvore Telhado do celeiro A primeira fotografia permanente foi tirada por Joseph Nicephore Niepce (1763-1833) em 1826, usando uma câmara escura e uma placa de metal com alcatrão. A exposição demorou 8 horas. Esta fotografia foi tirada de uma janela no seu quintal. IGOT ORIGENS DA DETECÇÃO REMOTA Em 1858, Gasper Felix Tournachon "Nadar" tirou uma fotografia da cidade de Petit Bicetre em França a partir de um balão ORIGENS DA DETECÇÃO REMOTA IGOT Paris por Nadar, 1859 Boston por Black e King (1860) IGOT ORIGENS DA DETECÇÃO REMOTA A teledetecção nos tempos remotos era limitada pelos meios disponíveis para elevar a câmera (sensor) acima do alvo para obter imagens remotas de áreas grandes. Os meios incluem: 1. Balões 2. Pombos 3. Planadores 4. Avião 5. Satélite IGOT FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT FUNDAMENTOS FÍSICOS A energia pode transmitir-se de um ponto a outro sob a forma de ondas. Uma onda electromagnética é representada por dois vectores perpendiculares indissociáveis, em que a amplitude varia periodicamente com o tempo: O campo eléctrico E O campo magnético H A direcção de propagação dessa onda é perpendicular ao plano definido por esses dois vectores. Energia electromagnética - teoria da onda IGOT Onda electromagnética: Campo eléctrico (E) perpendicular ao campo magnético (M) Viaja à velocidade, c (3x108 ms-1, no vácuo) •movimento sinusoidal/harmónico •velocidade da luz, v (m/s) •comprimento de onda, (m) •frequência, f (s-1 or Hz) v = constante (3*108 m/seg) distância de um pico da onda ao seguinte Número de picos que passam num ponto fixo do espaço, por unidade de tempo FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Campo Eléctrico ( E ) E Campo Magnético (H) H A radiação electromagnética caracteriza-se por: Um período Uma frequência Uma velocidade de propagação Um comprimento de onda Uma amplitude f = Frequência ncia c λ f c - velocidade da luz no vazio 3x108 m/s-1; - comprimento de onda (m); f - frequência (s-1 ou Hz). FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT A importância da energia electromagnética em Detecção Remota reside no facto de os objectos que existem à superfície terrestre se comportarem de forma diferenciada e selectiva face à energia electromagnética que sobre eles incide. Esta pode provir de fontes naturais ou artificiais. FUNDAMENTOS FÍSICOS Em Detecção Remota, é usual classificar as ondas electromagnéticas pela localização do comprimento de onda respectivo no espectro electromagnético Ultravioleta Vermelho 0,4 0,5 0,6 0,7 Verde Violeta: 0.4 - 0.446 mm Azul: 0.446 - 0.500 mm Verde: 0.500 - 0.578 mm Amarelo: 0.578 - 0.592 mm Laranja: 0.592 - 0.620 mm Vermelho: 0.620 - 0.7 mm Azul IGOT Infravermelho próximo Visível Comprimento de Onda (mm) 10-5 10-6 Ra ios Có sm Ra ios ic o s g 1mm 10-4 Ra ios 10-3 x 10-2 10-1 1 10 102 103 Ul Vi In In In tra sí fra fra fra vio vel ve ve ve rm rm rm let a el el el h ho ho o p r m tér óx é d m im io ic o o 1m 104 105 M 106 ic r oon da s 107 108 Te le vis ã 109 o e Rá dio IGOT FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Energia electromagnética - teoria da partícula Muito embora algumas das características da radiação electromagnética sejam mais facilmente entendidas com base na teoria das ondas, a teoria das partículas é mais adequada para explicar a interacção da energia com a matéria. A energia radiante de um quantum (também designado de fotão) é dada por: Q=hf Q - energia de um fotão*, Joules (J) h - Constante. Planck, 6.626*10-34 J/s f – frequência da radiação *fotão é a forma física de um quantum, a partícula básica estudada na mecânica quântica Q = hc/ Quanto maior o comprimento de onda, mais baixo é o seu conteúdo energético. (longer is lower) Sistemas de DR são mais eficientes para detectar objectos com pequenos FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT As equações da onda e do modelo quântico podem ser relacionadas, obtendo-se c λ f Q Q W hc λ W h f c - velocidade da luz no vazio 3x108 m/s-1; - comprimento de onda (m); f - frequência (s-1 ou Hz). QW - energia radiante de um quantum (J); h - constante de Plank, 6,626 x 10-34 Js. Donde se conclui que a energia de um fotão é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda - quanto maior for o comprimento de onda, menor será o conteúdo energético do fotão. FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT O baixo conteúdo energético da radiação com longos comprimentos de onda, implica que, regra geral, os sistemas remotos que operam com esses comprimentos de onda tenham a necessidade de registar, a cada momento, informação sobre uma grande área, por forma a obter um sinal com energia suficiente para ser detectado (e.g. imagens térmicas têm um pixel maior, lembrar quando falarmos de resolução espacial e espectral). FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT m - comprimento de onda da radiância máxima emitida, mm A (constante) – 2898 mm K T - temperatura, K O comprimento de onda ao qual a curva de radiação de um corpo negro atinge o seu máximo está relacionada inversamente com a temperatura. M (Wm-2 mm-1) m= A/T Lei de (deslocamento) de Wien 108 Corpo negro à temp. do SOL Corpo negro à temp. da TERRA 101 0.5 o Sol, cuja temperatura é da ordem de 6000 K, tem uma densidade espectral de energia que é máxima para um ~ 0.5 mm (na região visível do espectro electromagnético); 10 (mm) um corpo à temperatura ambiente de 300 K tem uma densidade espectral de energia que é máxima para um ~ 10 mm (na região do infravermelho); IGOT FUNDAMENTOS FÍSICOS Nesta figura, é facilmente perceptível a diminuição do valor do comprimento de onda correspondente ao máximo de exitância à medida que a temperatura do corpo negro varia entre os 200 K e os 6 000 K. Este fenómeno é perfeitamente identificável ao aquecer-se um objecto ferroso, em que a sua coloração transita, à medida que a temperatura aumenta, do vermelho para o laranja, deste para o amarelo, e eventualmente para o branco. IGOT FUNDAMENTOS FÍSICOS Todos os corpos que apresentam uma temperatura superior ao zero absoluto (0K ou -273ºC) emitem radiação electromagnética, designada de radiação térmica visto ser essencialmente dependente da temperatura. As características desta emissão podem ser explicadas com Recurso à teoria dos corpos negros. Lei de Stefan-Boltzman (corpo negro) FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT A exitância total dos corpos negros é calculada através da integração da lei de Plank ao longo do espectro (lei de Stefan-Boltzman) , verificando-se ser proporcional à quarta potência da temperatura absoluta (T4) do corpo: M = T4 M - energia emitida por um objecto (W/m2) - Constante Stefan-Boltzman, 5.6697 *10-8 W/m2 K-4 T - temperatura absoluta do objecto (K) Quanto mais alta for a temperatura do objecto, maior é o total de radiação que emite (exitância). IGOT FUNDAMENTOS FÍSICOS Os materiais reais da superfície terrestre emitem apenas uma fracção da energia que um corpo negro, à mesma temperatura, emitiria. Este défice relativamente ao óptimo, o qual traduz o grau de eficiência com que um corpo irradia energia, é designado por emissividade (), traduzindo-se numericamente por: M CR M , M C R ε σT . 4 FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT SOL Interacções da Energia Electromagnética com a atmosfera Quando a energia electromagnética incide sobre atmosfera, podem ocorrer essencialmente três tipos de interacções: 1. Dispersão/Difusão 2. Absorção 3. Transmissão (e refracção) comprimento da distância percorrida • magnitude do sinal a medir • condições atmosféricas • comprimento de onda • FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Scattering difusão da radiação pelas partículas Difusão Rayleigh - quando o diâmetro das partículas na atmosfera é muito mais pequeno que o da radiação incidente Os mais curtos (azuis) são difundidos mais dominantemente do que os outros visíveis - céu azul Ao nascer e ao pôr do sol, a energia atravessa um caminho mais longo do que ao meio dia: a difusão (e absorção) dos curtos é tão completa que só vemos os menos difundidos, mais longos - vermelho e laranja Na ausência de scatter o céu seria preto FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Difusão Mie - quando o diâmetro das partículas da atmosfera é igual ao da radiação incidente. Ex: vapor de água e poeiras Difusão não-selectiva -quando o diâmetro das partículas é muito maior que o da energia incidente. Ex: gotas de água Absorção - específica de um , há perda de energia para os constituintes da atmosfera Ex: vapor de água, CO2, ozono janelas atmosféricas FUNDAMENTOS FÍSICOS Absorção O fenómeno da absorção deve-se à existência de trocas de energia entre a onda e os átomos de um determinado corpo, tendo como principal consequência o aumento da temperatura do corpo. Ultra-Violeta Visível Infravermelho Infravermelho Reflectido H2O CO2 O3 8 a 14 mm 1.6 mm CO2 3 a 5 mm CO2 H2O H2O Ultra-Violeta Fotográfico Verde Azul Vermelho H2O Infravermelho Tér mico 2.2 mm O3 Infravermelho Fotográfico 100 Transmissão Atmosférica (% ) IGOT 0 Comprimento de Onda 0.5 1 1.0 2 3 1.5 5 4 SPOT Pancromático 1 2 3 2.0 SPOT XS 3.0 7 4.0 5.0 Landsat TM 10 15 6 20 30 mm FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Transmissão/Refracção Este processo ocorre, quando, meios de densidades diferentes, provocam alterações na velocidade e direcção de propagação do feixe electromagnético. Neste caso a energia incidente no ângulo 1 ao encontrar um meio de densidade diferente, vai ser transmitida ao longo desse meio numa direcção 2. FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Interacções com a superfície terrestre Energia incidente, EI() E I ( ) Energia reflectida, ER() E R ( ) Energia absorvida, EA() E A ( ) E T ( ) Energia transmitida, ET() FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT EI()= ER()+EA()+ ET() Como a maioria dos sistemas de Detecção Remota (com excepção das bandas térmicas) funcionam em regiões do espectro em que predomina a energia reflectida, a reflectância dos objectos assume particular importância. Assim, é usual utilizar-se: ER()= EI()-(EA()+ ET()) COR FUNDAMENTOS FÍSICOS Geometria da reflectância IGOT (a) Reflector difuso ideal (Superfície Lambertiana) (b) Reflector difuso direccional (c) Reflector especular (espelho) (d) Retro-reflector (ponto quente: hot spot) Ângulo de incidência = Ângulo de reflecção A Água FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT As superfícies reais reflectem usualmente com algum grau de anisotropia. Geometria da reflectância Como iremos ver, a quantidade de energia reflectida pelo objecto, e que alcança o satélite, depende da energia total incidente, da estrutura da superfície, do ângulo de incidência e do comprimento de onda. FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT 1 - As proporções de energia reflectida, absorvida e transmitida variam com os objectos terrestres (tipo de material e condição) 2 - Para o mesmo tipo de objecto, a proporção de energia reflectida, absorvida e transmitida varia nos diferentes comprimentos de onda. 3 - É importante ter em consideração a forma geométrica como os objectos reflectem a energia incidente. Este factor varia primordialmente em função da rugosidade da superfície do objecto. A radiância registada pelo satélite é a combinação das 3 componentes. FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT No caso específico da energia térmica, o interesse centrase em medir a radiação emitida pelos objectos. No entanto, a energia emitida pelos objectos, depende usualmente da energia que sobre eles incide. Recordando o princípio da conservação da energia e dividindo todos os seus termos pela energia incidente, tem-se: 1 ER EI EA EI ET EI . FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Os termos situados no lado direito de correspondem a grandezas com especial importância na descrição das interacções da energia térmica com a matéria. Assim, definem-se: 1 ER EI EA EI ET EI Relação entre as propriedades de absorção, reflexão e transmissão dos elementos de terreno . ER EI EA EI ET EI 1 absorção espectral do elemento de terreno reflexão espectral do elemento de terreno transmissão espectral do elemento de terreno FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT A Lei de Radiação de Kirchoff diz que, em condições de equilíbrio térmico, a emissividade espectral de um objecto é igual à sua absorção espectral. 1 Como esta equação se baseia numa condição de equilíbrio térmico pode ser aplicada (em detecção remota) em quase todos os casos, o que permite substituir por FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Na maioria das aplicações em detecção remota os corpos em observação são tidos como opacos face à radiação térmica tornando possível simplificar a equação anterior para: 0 1 Assim, na região do térmico, observa-se uma relação directa entre a emissividade e a reflectância, traduzindose um aumento da primeira na diminuição da segunda e vice-versa. FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Fontes primárias de energia electromagnética Janelas atmosféricas: a energia pode ser transmitida para e da Terra Sensibilidade espectral dos sensores para detectar e registar a energia DETECÇÃO REMOTA FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT SISTEMA DE DETECÇÃO REMOTA IDEAL 1 - fonte de energia uniforme 2 - atmosfera sem interferências 3 - interacção energia-matéria única 4 - super sensor 5 - sistema de transmissão de dados em tempo real 6 - utilizadores múltiplos SERIA ÓPTIMO IGOT MAS A REALIDADE É BEM DIFERENTE ! FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Reduz a energia que incide no objecto e que é reflectida por ele. Actua como um reflector, adicionando energia (path radiance) ao sinal detectado pelo sensor. Atmosfera resposta espectral ET Ltot= + Lp L tot - radiância espectral total medida pelo sensor - reflectância do objecto E - radiação incidente no objecto T - transmissão da atmosfera Lp - path radiance FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Esta resposta varia de banda para banda e as suas características são monitorizadas através de lâmpadas de calibração existentes a bordo do satélite. A radiância espectral absoluta emitida pelas lâmpadas é conhecida em virtude destas terem sido calibradas antes do lançamento do satélite e é considerada estável ao longo do período de actividade do sensor. As lâmpadas de calibração são a base da função que permite relacionar a radiância com o NR, através da expressão NR GL S D G – ganho (gain) do sensor (fornecido pelo fabricante); D – desvio (offset) do sensor (fornecido pelo fabricante). FUNDAMENTOS FÍSICOS Reflectância (%) IGOT Curva de reflectância espectral •Características espectrais do objecto •Determina a escolha do(s) (s) para a aquisição de dados Padrões de resposta espectral Comprimento de onda (mm) Efeitos espaciais Efeitos temporais Assinatura espectral FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Conversão de DNs em valores de radiância absoluta Há necessidade quando: • Alterações na reflectância absoluta dos objectos registados em datas diferentes e/ou por sensores diferentes • Modelos matemáticos que relacionem dados da imagem com variáveis físicas no terreno, ex: biomassa. FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Resposta linear dos detectores em função da radiância espectral incidente (calibração onboard) 255 • radiância espectral de standards de calibração interna • • Desvio (offset) DN 0 LMIN • Declive (gain) • • • L - radiância espectral LMAX FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT % Reflectância Reflectâncias espectrais dos principais elementos existentes à superfície da terra 60 50 40 30 20 10 0 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 Comprimento de onda (mm) Água Vegetação Solo 2,5 FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT A VEGETAÇÃO O comportamento espectral da vegetação não se pode generalizar. Existem vários factores que influenciam a sua resposta, como por exemplo a espécie vegetal; mesmo dentro de uma mesma espécie existem factores que moldam uma curva espectral específica. FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT red edge FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Transmissão Reflexão Absorção Sabendo-se que esta estrutura interna das folhas varia consoante as espécies, pode-se afirmar que a banda do infravermelho próximo é útil no processo de discriminação dos diferentes tipos de vegetação, através das condições da reflectância. Para além disso, o contraste de reflectância vegetal, entre o visível e o infravermelho próximo permite concluir que será « (…) tanto maior o vigor de uma espécie, quanto maior for o contraste entre estas duas bandas.». (CHUVIECO, 1990). FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT COR NOMAL VS. FALSA COR FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Reflectância (%) 60 40 3 7 5 1 - Fase de crescimento 2 20 5 7 Fases de maturidade e envelhecimento 1 0 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Comprimentos de onda (mm) Tendo em consideração, que a água é fundamental para a vida das plantas, esta região do espectro permite avaliar o estádio de desenvolvimento da vegetação e, portanto, a parte do ciclo vegetativo em que se encontra. FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Para além da clorofila, a estrutura interna e o teor de água nas folhas, também a morfologia (lisa vs rugosa) da folha, assim como, a sua exposição, são factores condicionantes do seu comportamento espectral. FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Outros factores: Morfologia do coberto vegetal (e.g. a altura das plantas, as características da forma e o tamanho da copa). Composição e textura do solo, influencia o comportamento espectral da vegetação provocando alterações passíveis de serem detectadas pelas imagens de satélite. FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT OS SOLOS Nem sempre se consegue obter informação sobre os solos a partir das imagens de Teledetecção, muito por culpa da presença da vegetação. Quando assim é os dados são estimados com base no coberto vegetal. A curva de reflectância espectral dos solos apresenta valores relativamente baixos aumentando gradualmente com o incremento do comprimento das radiações (resposta semelhante à da água, mas em sentido inverso). Este comportamento é uma consequência da sua composição química e minerológica, da textura e do teor de humidade. FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Na região do infravermelho próximo e médio, o comportamento espectral é função do teor de humidade, como consequência da elevada absorção de água nestas bandas. A presença de humidade no solo decresce o valor da reflectância destes. Este efeito, é acrescido nas bandas de absorção de água que ocorrem nos comprimentos de onda 1.4; 1.9 e 2.7 µm . Outro aspecto importante é a estrutura dos solos, já que solos estruturalmente bem definidos têm uma reflectância menor. FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT A ÁGUA A curva de reflectância espectral da água denota um comportamento que se traduz pela diminuição da sua reflectividade à medida que aumenta o comprimento de onda. A água absorve ou transmite a maior parte das radiações com o evoluir do espectro; como consequência a reflectividade desta é praticamente nula a partir da região do infravermelho (a reflectância, na região do IV próximo, é “virtualmente” nula para as águas limpas e profundas). FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT O comportamento dependente: espectral da água está 1. Da natureza e concentração de matérias orgânicas e não-orgânicas em suspensão, da profundidade e da rugosidade da superfície; 2. Da presença de materiais em suspensão, traduzido por vezes na turvação das águas; 3. Da profundidade da água está directamente relacionada com a sua reflectividade; 4. Da presença de águas agitadas na superfície tem implicações no tipo de resposta espectral da água. FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Em meio urbano verifica-se uma grande heterogeneidade de usos, traduzida numa dificuldade acrescida em classificar os elementos apenas com base na sua resposta espectral. 50 Refletância (% ) 40 Relv a 30 Betão 20 Baldio 10 Betão betuminoso Água 0.4 0.6 1 1 2 0.8 1.0 2 3 3 4 Comprimento onda (mm) SPOT XS Landsat TM FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT para diversas 890 910 830 850 747 636 660 60 542 560 485 Curvas de reflectância espectral coberturas existentes em França Reflectância Difusa (%) 50 A Telhado de ardósia de Espanha (inclinação 0º) 40 30 B Telhado de ardósia proveniente dos montes Arrée (inclinação 0º) C Telhado de ardósia de Espanha (inclinação 30º) 20 10 0 400 500 600 700 800 900 1000 nm FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Reflectância Difusa (%) para diversas 890 910 830 850 747 636 660 80 542 560 485 Curvas de reflectância espectral coberturas existentes em França 70 A Telhas de cano de Espanha 60 B Telhas de fibro-cimento recentes de Toulouse C 50 Telhas de cano antigas de Toulouse 40 30 20 10 0 400 500 600 700 800 900 1000 nm FUNDAMENTOS FÍSICOS IGOT Três tipos de telhado utilizados nos edifícios de habitação, reflectem a energia incidente em quantidades diferentes, dependendo da proveniência do material, e no caso desta ser a mesma, do ângulo de inclinação dos telhados. Esta situação introduz complicações na análise estatística dos dados, pois o mesmo tipo de uso, ao ter respostas espectrais diferentes, vai alterar os parâmetros estatísticos da classe (média, desvio padrão, variância, etc.).