mapeamento-apostila-2 - Instituto de Estudos Pecuários

Multidisciplinar
Mapeamento do uso do solo
para manejo de propriedades rurais
Allan Arnesen
Frederico T. Genofre
Marcelo Pedroso Curtarelli
C A P Í T U L O
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Fundamentos de Sensoriamento Remoto
O sensoriamento remoto pode ser definido como um conjunto de técnicas empregadas para adquirir dados e informações relativas aos recursos naturais da
Terra, por meio do registro e análise da interação da Radiação Eletromagnética
(REM) com os objetos/alvos da superfície terrestre, sem que haja contato direto
com os mesmos (SLATER, 1980; NOVO, 1992; JENSEN, 2007).
Os princípios físicos do sensoriamento remoto estão fundamentados nas teorias
ondulatória e quântica, ambas utilizadas para explicar a propagação da REM
através do vácuo ou de um determinado meio (p.ex. líquido ou gasoso). A teoria
ondulatória postula que a propagação da energia se faz através de movimentos
ondulatórios, enquanto que, a teoria corpuscular preconiza que a REM se comporta como um fluxo de partículas (fótons) que se movem à velocidade da luz
no vácuo(SLATER, 1980). Em sensoriamento remoto, alguns fenômenos podem
ser explicados melhor através da teoria ondulatória e outros através da teoria
corpuscular.
A aquisição de dados por sensoriamento remoto pode ser realizada em diferentes
níveis, de acordo com a altitude do sensor em relação ao alvo, podendo ser em
nível orbital, nível de aeronave ou nível de campo/laboratório (NOVO, 1992).
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Os diferentes níveis de aquisição implicam em modificações na área observada, diferenças na forma de analisar o dado coletado e consequentemente no
detalhamento da informação derivada. A grande vantagem do sensoriamento
remoto orbital é a possibilidade de coleta de dados de grandes áreas em curto
espaço de tempo, com grande repetitividade, a um custo relativamente baixo por
dado coletado (JENSEN, 2007). Por outro lado, este nível de aquisição apresenta
como desvantagem menor resolução espacial quando comparado aos níveis de
aeronave e campo/laboratório (NOVO, 1992).
A Figura 6 apresenta os principais componentes de um sistema de coleta de
dados por sensoriamento remoto: (A) representa as fontes de REM; (B) representa as trajetórias da REM na atmosfera; (C) representa os alvos na superfície
terrestre; (D) representa os sensores e as plataformas de coleta de dados; (E)
representa a transmissão dos dados coletados; (F) representa a etapa de pré-processamento de dados; e (G) representa os produtos finais gerados a partir
dos dados coletados.
Figura 6. Principais elementos de um sistema de coleta de dados por sensoriamento remoto.
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3.1. Fonte - Alvo - Sensor
Dentre todos os componentes de um sistema de sensoriamento remoto (apresentados na Figura 7), podemos destacar a fonte de REM, o alvo e o sensor. O
conhecimento das características básicas destes três componentes é de suma
importância para os usuários de imagens de satélite, pois propicia uma melhor
escolha das imagens a serem utilizadas em serviços de mapeamento. A seguir
cada um destes componentes são descritos em mais detalhes.
3.1.1. Fontede REM
A REM é emitida por qualquer corpo que possua temperatura acima de zero grau
absoluto (0 Kelvin). Desta maneira, todo corpo com uma temperatura absoluta
acima de zero pode ser considerado como uma fonte de energia eletromagnética. O Sol e a Terra são as duas principais fontes naturais de REM utilizadas no
sensoriamento remoto da superfície terrestre. Contudo, existem sensores que
possuem sua própria fonte de energia e são capazes de emitir REM ativamente.
A REM não precisa de um meio material para se propagar sendo definida como
uma energia que se move na forma de ondas eletromagnéticas à velocidade da
luz (~ 300.000 km/s). Usualmente a REM é caracterizada por sua frequência (f)
e comprimento de onda (λ), sendo que estas duas grandezas estão relacionadas
pela seguinte equação:
c=f×λ ,
Onde: c = a velocidade da luz (m/s), f é a frequência (1/s ou Hz) e λ é o comprimento de onda (m).
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A REM pode ser ordenada de maneira contínua em função de seu comprimento
de onda ou de sua frequência, sendo esta disposição denominada de espectro
eletromagnético. O espectro da REM apresenta subdivisões de acordo com as
características de cada região. Cada subdivisão é função do tipo de processo
físico que dá origem a energia eletromagnética, do tipo de interação que ocorre
entre a radiação e o objeto (alvo) sobre o qual esta incide, e da transparência
da atmosfera em relação à radiação eletromagnética. O espectro eletromagnético se estende desde comprimentos de onda muito curtos associados aos raios
cósmicos, até as ondas de rádio de baixa frequência e grandes comprimentos de
onda (Figura 7). Em sensoriamento remoto, as imagens são usualmente registradas utilizando a porção da REM localizada nas regiões do visível, infravermelho
e radar (microondas).
Figura 7. Espectro eletromagnético
3.1.2. Alvo
Em sensoriamento remoto, qualquer objeto sobre a superfície terrestre pode ser
considerado como um alvo. Os alvos são responsáveis por interagir com a REM,
sendo que a REM incidente sobre um alvo pode ser em parte absorvida, refletida
ou transmitida pelo mesmo. A absorção, reflexão e transmissão da energia incidente poder ser total ou parcial, guardando sempre o princípio de conservação
de energia. A capacidade de um objeto absorver, refletir e transmitir a radiação
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eletromagnética é denominada, respectivamente, de absortância, reflectância
e transmitância, sendo que os valores variam entre 0 e 1. Os alvos terrestres
interagem de maneira diferenciada espectralmente com a REM incidente, pois
os objetos apresentam diferentes propriedades físico-químicas e biológicas. A
vegetação, por exemplo, comumente absorve mais energia na região do visível e
reflete grande parte da energia localizada na região do infravermelho. Estas diferentes interações é que possibilitam a distinção e o reconhecimento dos diversos
objetos terrestres por meio de imagens de satélites, pois são reconhecidos devido
a variação da porcentagem de energia refletida em cada comprimento de onda.
O conhecimento do comportamento espectral dos alvos terrestres é muito importante para a escolha da região do espectro sobre a qual se pretende adquirir
dados/imagens de satélite para determinada aplicação. A Figura 8 apresenta o
comportamento espectral típico de diferentes alvos naturais da superfície terrestre.
Figura 8. Comportamento espectral típico de alvos naturais na superfície da Terra.
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3.1.3. Sensores
Os sensores remotos são dispositivos capazes de detectar a REM (em determinadas faixas do espectro eletromagnético) proveniente de um alvo, transformá-las
em um sinal elétrico e registrá-las, de tal forma que esta possa ser armazenada
ou transmitida em tempo real para posteriormente ser convertido em informações que descrevem as feições dos alvos que compõem a superfície terrestre
(Figura 9).
As principais partes de um sensor são:
a) Coletor: é um componente óptico capaz de concentrar o fluxo de energia
proveniente da amostra no detector;
b) Filtro: é o componente responsável pela seleção da faixa espectral da energia
a ser medida;
c) Detector: é um componente de pequenas dimensões feito de um material
cujas propriedades elétricas variam ao absorver o fluxo de energia, produzindo
um sinal elétrico;
d) Processador: é um componente responsável pela amplificação do fraco sinal
gerado pelo detector e pela digitalização do sinal elétrico produzido pelo detector;
e) Unidade de saída: é um componente capaz de registrar os sinais elétricos
captados pelo detector para posterior extração de informações.
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Enhanced Thematic Mapper + Scanner
Figura 9. Exemplo de um sensor remoto: ETM+ a bordo do satélite Landsat 7.
1) Mainframe
10) Relay Optics Assembly
2) Aperture Sunshade
11) Radiative Cooler
3) Sean Mirror
12) Circuit Card Assemblies
4) Primary Mirror
13) Earth Shield
5) Secondary Mirror
14) Eletronics Module
6) Prime Focal Plane
15) Power Supplies
7) Hybrid Preamplifiers
16) Thermal Control Louvers
8) Calibration Shutter
17) Full Aperture Calibrator Assembly
9) Black Body
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Atualmente existem diversos sensores disponíveis, em operação, para a coleta
de dados. Cada um desses sensores pode ser classificado de acordo com suas
características, sendo que, a aplicação dos dados coletados está intrinsicamente
relacionada a estas características. A seguir é feita uma breve descrição das
classificações dos sensores e suas resoluções.
Classificação dos sensores
Os sensores podem ser classificados de diferentes formas, sendo que um mesmo
sensor pode apresentar diferentes classificações. A seguir é apresentado um
breve resumo das classes de sensores.
a) Tipo de dado: os sensores podem ser classificados em imageadores e não
imageadores. Os sensores do tipo imageador são aqueles que fornecem dados
na forma de imagens. Já os sensores não imageadores podem fornecer dados
em outras formas, como por exemplo, na forma de gráficos e tabela de dados. A
categoria de sensores imageadores podem ser sub classificados de acordo com
o tipo de varredura utilizada na coleta dos dados. Neste caso, os sensores podem ser classificados como de varredura mecânica (whiskbroom) ou varredura
eletrônica (pushbroom);
b) Tipo de plataforma: os sensores podem ser classificados em orbitais ou sub
orbitais. Os sensores orbitais são aqueles que estão a bordo de satélites e plataformas em órbita ao redor da Terra (p.ex. sensor TM a bordo do satélite Landsat5).
Os sensores sub orbitais são aqueles que estão a bordo de aviões e outros tipos
de plataformas que não estão em órbita ao redor da Terra (p.ex. sensor AVIRIS).
Os sensores orbitais podem ser subdivididos em duas grandes categorias: os de
órbita polar e os de órbita geoestacionária. Os sensores de órbita polar são aqueles que possuem uma órbita passando ao redor dos polos da Terra. Os sensores
de órbita geoestacionária possuem, geralmente, uma órbita ao redor do Equador
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terrestre; estes sensores possuem velocidade igual à de rotação da Terra, observando sempre a mesma região do globo terrestre. Os sensores de órbita polar
possuem altitude (~700 km de altitude) inferior aos de órbita geoestacionária
(~30.000 km de altitude).
c) Faixa do espectro eletromagnético: os sensores podem ser classificados de
acordo com a faixa do espectro eletromagnético que operam. Os sensores ópticos
são aqueles que coletam imagens na região visível do espectro eletromagnético (400 nm - 700 nm). Os sensores termais são aqueles que coletam dados
na região do espectro do infravermelho termal (3
m –100
m). Os sensores
de microondas são aqueles que operam na região de microondas do espectro
eletromagnético (~ 1 cm – 10 cm).
d) Número de bandas: Os sensores podem também ser classificados de acordo
com o número de bandas em que coletam imagens. Os sensores multiespectrais
são aqueles que coletam imagens em poucas bandas espectrais (p.ex. sensor
TMa bordo do satélite Landsat 5). Já os sensores hiperespectrais são aqueles
que coletam dados em diversas bandas espectrais (geral mais de 100 bandas),
com largura de bandas estreitas e continuas (p.ex. sensor Hyperion a bordo do
satélite EO-1).
Resolução dos sensores
Usualmente um sensor é caracterizado em função de quatro resoluções: espacial, espectral, temporal e radiométrica. Tais resoluções representam a limitação
operacional de um sistema de sensoriamento remoto para produzir uma imagem
nítida e bem definida.
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Resolução espectral
Esta característica está relacionada ao número e a largura das bandas espectrais
que o sistema sensor pode discriminar. Assim, um sensor será tanto mais sensível
quanto maior o número de bandas estreitas que ele tiver, uma vez que isto facilita
a caracterização espectral dos distintos alvos da superfície terrestre. Uma alta
resolução espectral é obtida quando as bandas de um sistema sensor são estreitas e/ou quando se utiliza um maior número de bandas espectrais. O sistema
TM, por exemplo, opera em sete faixas espectrais do espectro eletromagnético,
possuindo, portanto, uma resolução espectral melhor do que o sistema MSS.
Paralelamente, as bandas do TM são mais estreitas que as do MSS.
Resolução espacial
A resolução espacial é uma medida da menor separação angular ou linear entre
dois objetos que pode ser determinada pelo sistema de sensoriamento remoto.
Também pode ser entendida como a medida do menor objeto passível de ser
resolvido espacialmente em uma imagem digital. O processo de amostragem
é o principal fator que determina a resolução espacial de uma imagem digital,
(JENSEN, 2007; GONZALES; WOODS, 2002). Segundo Schott (2007), a medida
angular de um elemento detector individual é chamada de IFOV (Instantaneous
Field of View), ou seja, campo de visada instantâneo do sensor. O IFOV pode ser
expresso através da seguinte equação:
Onde:
é a dimensão lateral de um detector quadrado;
é a distância focal
do sistema óptico do sensor. Geralmente o IFOV é expresso em unidades de
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miliradianos. A projeção do IFOV no terreno é denominada GIFOV (Ground Instantaneous Field of View). O GIFOV é dado em unidade de distância e sua relação
com o IFOV é dada pela seguinte equação:
GIFOV=H×IFOV
Onde: H é a altitude da plataforma na qual o sensor está a bordo. A Figura 10
apresenta a ideia de IFOV e GIFOV.
Figura 10. Esquema ilustrativo apresentando a ideia de IFOV e GIFOV.
Resolução temporal
Pode ser compreendido como o intervalo de vezes que o satélite observa uma
mesma área do terreno em um determinado período. A resolução temporal
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refere-se à periodicidade com que o sistema sensor é capaz de adquirir imagens da mesma porção da superfície terrestre. Esta característica dos sistemas
sensores varia de acordo com os objetivos fixados para o sensor. Os satélites
meteorológicos, por exemplo, são obrigados a oferecer informações em períodos
curtos de tempo, pois se dedicam a observar um fenômeno muito dinâmico,
por esta razão sua resolução temporal é de 30 minutos (p.ex. Meteosat e GOES)
ou de 12 horas como os dos satélites da série NOAA. Os satélites de recursos
naturais (p.ex. TM, OLI) oferecem uma periodicidade muito maior, pois não estão
coletando informações de fenômenos tão dinâmicos como os meteorológicos,
podendo variar entre dias e semanas.
Resolução radiométrica
De maneira simplificada, diz respeito a sensibilidade do sistema em detectar
níveis de intensidade de radiação, ou seja, trata-se da capacidade de um determinado sensor em distinguir entre níveis distintos de intensidade do sinal de
retorno. Assim, quanto maior a resolução radiométrica (expresso em número de
bits) maior será a quantidade de níveis de brilho que o sensor poderá distinguir.
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que atualizem e adquiram novos conhecimentos sem
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