Aula 1

PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS (SERP11)
REPRESENTAÇÃO DAS IMAGENS DIGITAIS
Daniel C. Zanotta
Página da disciplina:
academico.riogrande.ifrs.edu.br/~daniel.zanotta
Sistemas de aquisição de imagens
Sensor óptico: capta a radiação solar
refletida pela superfície terrestre
RADAR: produz, emite e capta a radiação
Colocação de Satélite em Órbita:
Sistema por quadro
Sistema pushbroom
Sistema whiskbroom
Sistema whiskbroom (Landsat-TM)
Efeito do problema no espelho SLC do Landsat 7
Organização de uma imagem digital:
Intervalo de variação de uma imagem 8 bits: 0 – 255 (256 níveis de cinza NC, CD, ND)
0 - Preto
255 - Branco
(1,1)
Linhas (Y)
Colunas (X)
(nºlin, nº col)
FASES DA AQUISIÇÃO DE UMA CENA
Captação
Estação de
Processamento
Distribuição
Arquivamento
Funcionamento do olho humano:
Formação das imagens multiespectrais:
Imagem Preto e Branco (NC)
Imagem colorida (RGB)
Fotografia da orla da cidade de Rio Grande, Lagoa dos Patos, RS. Composição colorida utilizando três bandas nos
comprimentos de onda do visível.
Interpretação Visual das diversas cores:
Funcionamento dos Sensores Remotos:
Funcionamento dos Sensores Remotos:
Já sabemos que não podemos enxergar, mas existem
outras formas de radiação eletromagnética que não são
visíveis ao ser humano. O que diferencia as cores é o
comprimento de onda (ou frequência) da onda. Neste
sentido, a radiação com comprimento de onda maior
que o vermelho é chamada de infra-vermelho e não é
visível. Da mesma forma uma radiação com
comprimento de onda menor que o violeta é ultravioleta, que também não é visível ao olho humano.
Mesmo assim, seus efeitos podem ser sentidos através
das queimaduras solares. A resolução espectral está
intimamente ligada ao quanto nós podemos separar (ou
fatiar) o espectro eletromagnético. Se estivéssemos
falando apenas do visível, falaríamos em quantas
medições de intensidades de cores diferentes podemos
obter numa imagem
?
?
RADIAÇÃO SOLAR: INTENSIDADES ESPECTRAIS
Divisão do Espectro EM:
Posicionamento das Bandas
1 2 3
4
5
7
6
Por que utilizar composições coloridas?
64
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Por que utilizar composições coloridas?
Originalmente, as imagens de satélites são obtidas em preto e branco. Porém, o
olho humano é mais sensível a cores que aos tons de cinza. As cores que podemos
ver são fruto da reflexão seletiva dos alvos existentes na superfície terrestre, nas
distintas bandas do espectro eletromagnético.
Imagem LANDSAT-TM da cidade de Porto Alegre, lago Guaíba e parte da laguna dos Patos, RS.Composição colorida
utilizando três bandas nos comprimentos de onda do visível.
Por que utilizar composições coloridas?
Originalmente, as imagens de satélites são obtidas em preto e branco. Porém, o
olho humano é mais sensível a cores que aos tons de cinza. As cores que podemos
ver são fruto da reflexão seletiva dos alvos existentes na superfície terrestre, nas
distintas bandas do espectro eletromagnético.
Imagem LANDSAT-TM da cidade de Porto Alegre, lago Guaíba e parte da laguna dos Patos, RS.Composição colorida
utilizando três bandas nos comprimentos de onda do visível.
CALIBRAÇÃO RADIOMÉTRICA
TESTE DE CALIBRAÇÃO EM
LABORATÓRIO DO CBERS-2 (CHINA-2000)
TESTE DE CALIBRAÇÃO EM
LABORATÓRIO DO CBERS-2 (CHINA-2000)
TESTE DE CALIBRAÇÃO EM
LABORATÓRIO DO CBERS-2 (BRASIL-2001)
CALIBRAÇÃO RADIOMÉTRICA
 PRECISAMOS CALCULAR A ENERGIA EMITIDA PELO SOL QUE CHEGA EM CADA m2 NA TERRA:
PS POTÊNCIA TOTAL DO SOL [W/m2]
SOL
R
A – ÁREA DA ESFERA [m2]
R – DISTÂNCIA CENTRO SOL-SUP. TERRA [m]
𝜋– 3,14
I  ENERGIA
SOLAR NO TOPO DA ATMOSFERA
(IRRADÂNCIA) COM O SOL AO NADIR
I
Ps
W / m 2 
A
A  4 R 2
CALIBRAÇÃO RADIOMÉTRICA
IRRADIÂNCIAS SOLARES (I ) POR BANDA (LANDSAT 5)
CALIBRAÇÃO RADIOMÉTRICA
 INTERPOLAÇÃO LINEAR
RADIÂNCIA.
PARA TRANSFORMAR OS CONTADORES DIGITAIS
• I  IRRADIÂNCIA (INCIDENTE) - VEM DO SOL
• L  RADIÂNCIA (RETORNO)
• 𝜌 REFLECTÂNCIA (PROPORÇÃO REFLETIDA)
CDMáx
(CD)
L

I
L  LMin
CD  0

CDMax  0 LMax  LMin
 LMax  LMin 
L
  CD  LMin
 CDMax 
CD
Lmin e Lmáx Parâmetros do Sensor
Offset
LMin
0
L
Ruído
Lmáx [W/pixel]
CDMax = 2bits -1
EM
TABELAS DE CALIBRAÇÃO (1984-2007)
TABELAS DE CALIBRAÇÃO (2007 - )
CALIBRAÇÃO RADIOMÉTRICA
EQUAÇÕES:
 LMax  LMin 
L
  CD  LMin
 CDMax 
I
Ps
A
TABELA
L

I
EXERCÍCIO
1) Dados:
Potência total emitida pelo sol: Ps = 3,846 × 1026 W,
Distância Sol (centro)-Terra (superfície) = 149.600.000.000 m
Calcular a Irradiância (I) supondo Sol ao nadir.
2) Determine para um pixel com valor 35 de uma imagem Landsat 5 o valor
da radiância espectral, e logo após, da reflectância.
Assuma a banda 3:
Lmin= -1,17 w/m² e Lmáx= 264,0 w/m²
I = 1551 w/m²
Ponto de Reflexão
1) Quais são as vantagens e desvantagens dos sistemas de varredura pushbroom
e whiskbroom?
2) Por que o sistema de aquisição por quadros (mesmo das máquinas
fotográficas convencionais) não é geralmente utilizado em satélites?
3) Se o olho humano consegue diferenciar aproximadamente 30 níveis de cinza,
por que as imagens de satélite contam com 256 níveis?
4) Como é possível ao olho enxergar outras cores se possuímos somente
detectores vermelhos, verdes e azuis?
5) O que é geralmente levando em consideração no projeto de um novo sensor a
bordo de um satélite?
6) Explique a principal razão pela qual os sensores CCD dos satélites não
funcionam de maneira similar ao olho humano?
7) Qual a vantagem de se fazer diferentes composições de bandas nas cores
RGB?
8) Qual é a finalidade da calibração radiométrica?
O que é resolução?
RESOLUÇÃO É A CAPACIDADE DOS SENSORES DE RESOLVER ALGUM ALVO. ESSE RESOLVER TEM O SENTIDO
DE “ENXERGAR” ALGO. SATÉLITES DE RECURSOS NATURAIS TEM BASICAMENTE 4 TIPOS DE RESOLUÇÕES:
ESPACIAL: A RESOLUÇÃO ESPACIAL DETERMINA O TAMANHO DO MENOR OBJETO QUE É POSSÍVEL REPRESENTAR
NO ARQUIVO RASTER DIGITAL, SEJA IMAGEM DE SATÉLITE OU FOTOGRAFIA AÉREA. PORTANTO, O USUÁRIO DEVE
ESCOLHER SUAS IMAGENS DE ACORDO COM A MAGNITUDE DA ESCALA DO SEU TRABALHO, EM OUTRAS PALAVRAS, A
RESOLUÇÃO ESPACIAL DA IMAGEM DEVE SER EQUIVALENTE COM O TAMANHO DO MENOR OBJETO QUE SE DESEJA
IDENTIFICAR.
ESPECTRAL: A RESOLUÇÃO ESPECTRAL INDICA A QUANTIDADE DE REGIÕES DO ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO NAS
QUAIS O SENSOR É CAPAZ DE GERAR UMA IMAGEM DE NÍVEIS DE CINZA, E O INTERVALO DE COMPRIMENTOS DE ONDA
INCLUÍDOS EM CADA UMA DAS REGIÕES.
RADIOMÉTRICA: AS IMAGENS SÃO UMA REPRESENTAÇÃO, EM FORMATO DIGITAL OU ANALÓGICO, DE UMA
PARTE DA SUPERFÍCIE TERRESTRE. AS IMAGENS ADQUIRIDAS POR SENSORES SATELITAIS TÊM GERALMENTE FORMATOS
DIGITAIS (RASTER, NUNCA VETOR), JÁ AS FOTOGRAFIAS AÉREAS SÃO TRADICIONALMENTE IMAGENS ANALÓGICAS
(PAPEL), RASTERIZADAS POR EQUIPAMENTOS SCANNER TRANSFORMANDO-O EM FORMATOS DIGITAIS.
TEMPORAL: A RESOLUÇÃO TEMPORAL SE REFERE AO INTERVALO DE TEMPO EM DIAS OU HORAS, QUE O SISTEMA
DEMORA EM OBTER DUAS IMAGENS CONSECUTIVAS DA MESMA REGIÃO SOBRE A TERRA.
Resolução Espacial
É a resolução mais fácil de entender. Tem a ver com o tamanho do pixel
na imagem (espaço). É medida pelo do tamanho do pixel em metros.
Resolução Espacial
100 metros
Resolução Espacial
30 metros
Resolução Espacial
5 metros
Resolução Espacial
Baixa resolução espacial
Pixel grande
Alta resolução espacial
Pixel pequeno
Resolução espectral
É a capacidade do sensor de separar o espectro de radiação
recebido em diferentes bandas. Quanto maior o número de bandas,
maior é a resolução espectral.
Resolução espectral
Exemplos:
Luz vinda de um
pixel (IFOV)
Representando o
infra-vermelho
(não visível)
Detectores
4 bandas
Fraca resolução espectral
8 bandas
Média resolução espectral
16 bandas
Boa resolução espectral
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE ALVOS
Uma boa resolução espectral e Espectral nos permitirá diferenciar com facilidade alvos como vegetação, solo,
rocha, água, sombra etc.
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE ALVOS
QUESTÃO ENEM 2011
Resolução espectral
Exemplo Landsat
Bandas espectrais
Bandas/Sensores
TM
ETM+
IKONOS
1
0,45-0,52mm
0,45-0,52mm
0,45-0,52mm
2
0,52-0,60mm
0,53-0,61mm
0,52-0,60mm
3
0,63-0,69mm
0,63-0,69mm
0,63-0,69mm
4
0,76-0,90mm
0,78-0,90mm
5
1,55-1,75mm
1,55-1,75mm
6
10,4-12,5mm
10,4-12,5mm
7
2,08-2,35mm
2,09-2,35mm
Pan
0,52-0,90mm
0,45-0,90mm
Resolução Radiométrica
A resolução radiometrica é o número de tons de cinza que cada pixel da imagem
pode assumir. Geralmente as imagens contam com 256 níveis de cinza (8 bits - 28). Isso
garante que para cada banda de uma imagem, os pixels possam assumir valores de 0
(preto) até 255 (branco) passando por níveis de cinza. O que vai definir a tonalidade
de um pixel, se ele deve ser mais ou menos cinza, vai ser a quantidade de radiação
eletromagnética vinda do pixel no terreno. Quanto mais radiação, mais claro é o pixel.
Resolução Radiométrica
Resolução Temporal
Refere-se à frequência de passagem do sensor num mesmo local, num determinado
intervalo de tempo. Este ciclo está relacionado às características orbitais da plataforma
(altura, velocidade, inclinação), e ao ângulo total de abertura do sensor. A resolução
temporal é de grande interesse especialmente em estudos relacionados a mudanças na
superfície terrestre e no seu monitoramento.
RESOLUÇÃO TEMPORAL
Ponto de Reflexão
1) Qual é a resolução mais importante para um estudo urbano? Por que as
imagens dessas áreas possuem uma elevada resolução temporal?
2) Em um estudo para diferenciar espécies vegetativas em zonas de cultivo,
quais as resoluções que são mais importantes?
3) Diferencie resolução temporal de período de revisita.
É possível ter boa resolução espacial, radiométrica e
espectral ao mesmo tempo?
Por que então não podemos construir um sensor que tenha uma boa resolução espacial, radiométrica e espectral? Essa pergunta é um pouco intrigante, mas pense:
quando uma certa quantidade de radiação vinda de um pixel é separada nos diferentes comprimentos de onda do espectro pelo prima, nós temos que captá-la através
dos detectores posicionados próximos ao prisma. Se por acaso nós quisermos ter várias bandas (boa resolução espectral) nós devemos colocar vários detectores no espaço
destinado a eles, e desta forma teríamos que diminuir o tamanho de cada um (como mostrado anteriormente). Diminuindo o tamanho dos detectores, nós faremos com que
pouca radiação chegue a cada um deles (eles serão fracamente iluminados pela radiação do pixel). Isso fará com que o detector não seja capaz de sentir se muita ou
pouca radiação está chegando da superfície terrestre. Na realidade, este problema está intimamente ligado ao chamado ruído aditivo do sensor. Bom, poderíamos
resolver esse problema da quantidade de radiação vinda da superfície aumentando o tamanho do pixel! Dessa forma uma área maior na Terra refletirá mais radiação para
os detectores. O problema neste caso é que isso diminuiria a resolução espacial...