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INTRODUO AO SENSORIAMENTO REMOTO

So Jos dos Campos 2001

Introduo ao Sensoriamento Remoto

SUMRIO

Pg. 1. INTRODUO........................................................................................................................... 03 1.1. Um breve histrico sobre o Sensoriamento Remoto........................................................... 04 2. FUNDAMENTOS DE SENSORIAMENTO REMOTO .................................................................. 06 2.1 Conceituao............................................................................................................................ 06 2.2 Conceitos radiomtricos ......................................................................................................... 09 3. TIPOS DE DADOS DE SENSORIAMENTO REMOTO ............................................................... 11 3.1 Plataformas de sensoriamento remoto .................................................................................. 13 3.2 Sistemas sensores: sistemas fotogrficos............................................................................ 15 3.2.1 O sistema visual humano ..................................................................................................... 15 3.2.2 Analogia entre o olho humano e a cmera fotogrfica...................................................... 17 3.2.3 Viso das cores..................................................................................................................... 17 3.3 Sistemas fotogrficos.............................................................................................................. 18 3.4 Obteno de medidas a partir de fotografias areas............................................................ 23 3.4.1 Viso estereoscpica............................................................................................................ 26 3.5 Interpretao de fotografias areas........................................................................................27 3.6 Sistemas sensores: imageadores eletro-pticos.................................................................. 27 3.6.1 Sistemas imageadores ......................................................................................................... 27 3.6.2 Tipos de imageadores .......................................................................................................... 31 3.6.3 Detetores................................................................................................................................ 32 3.7 Sistemas sensores: RADAR.................................................................................................... 33 3.7.1 Conceitos bsicos................................................................................................................. 33 3.7.2 Geometria de imageamento RADAR ................................................................................... 35 3.7.3 Tipos de sistemas RADAR ................................................................................................... 36 3.7.4 Interaes entre a radiao de micro-ondas e a superfcie terrestre............................... 38 3.7.5 Variveis do sistema............................................................................................................. 39 3.7.8 Variveis ligadas ao objeto imageado ................................................................................ 40 4 COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE ALVOS........................................................................... 41 4.1 Comportamento espectral da gua ........................................................................................ 42 4.1.1 Propriedades pticas da gua .............................................................................................45 4.1.2 Absoro no meio aqutico ................................................................................................. 46 4.1.3 O espalhamento no meio aqutico...................................................................................... 48 4.2 Comportamento espectral dos solos e de minerais e rochas.............................................. 50 4.3 Comportamento espectral da vegetao ............................................................................... 52 4.3.1 Interao da REM com os dossis vegetais ....................................................................... 55 4.3.2 Particularidades sobre a aparncia da vegetao em imagens orbitais.......................... 56 5. ELABORAO DE IMAGENS DA SUPERFCIE TERRESTRE................................................. 58 6. IMAGENS COM ALTA RESOLUO ESPACIAL...................................................................... 61 7. SENSORIAMENTO REMOTO HIPERESPECTRAL (IMAGEAMENTO ESPECTROSCPICO) 63 8. INTERPRETAO VISUAL DE IMAGENS: UMA ABORDAGEM METODOLGICA ............... 65 9. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS............................................................................................ 68

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1. INTRODUOO Brasil iniciou os investimentos na capacitao de profissionais e no desenvolvimento de infraestrutura que viabilizasse a aplicao das tcnicas de sensoriamento remoto ao final da dcada de 1960, com a implantao do Projeto Sensoriamento Remoto no Instituto de Pesquisas Espaciais. No incio dos anos 70, todas as atividades concentraram-se na recepo e na utilizao de imagens orbitais MSS dos satlites da srie Landsat. Contudo, o conhecimento disponvel naquela poca restringia-se viabilizao da identificao de feies especficas existentes na superfcie terrestre que, por sua vez, possibilitou a elaborao de mapas temticos variados. Em meados da dcada de 80, com o lanamento do sensor Thematic Mapper (TM) a bordo do satlite Landsat 4 e posteriormente do Landsat 5, a resoluo espacial mais fina e o maior nmero de faixas espectrais exploradas deste sensor em relao a seu antecessor MSS, abriram novas possibilidades da aplicao das tcnicas de sensoriamento remoto, incluindo no s os mapeamentos temticos como tambm os estudos visando quantificao de parmetros biofsicos (por exemplo: biomassa florestal) mediante o uso dos dados radiomtricos derivados das imagens geradas. Independentemente do carter acadmico das atividades vinculadas ao uso das tcnicas de sensoriamento remoto (muitos dos trabalhos eram fruto de dissertaes de mestrado ou teses de doutorado), nesta poca tambm comearam a surgir as primeiras empresas voltadas aplicao dessa tecnologia para atender a demandas de mercado. Essas empresas passaram a vender servios, explorando os conhecimentos que foram sendo adquiridos por instituies de pesquisa como o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Passaram tambm a desenvolver suas prprias solues para problemas que foram surgindo como decorrncia do atendimento de servios cada vez mais sofisticados e especficos. Assim, o pas passou a contar com inmeras possibilidades de aplicao das tcnicas de sensoriamento remoto, as quais vm sofrendo at modificaes de cunho conceitual. Os trabalhos que anteriormente se concentravam no uso de imagens orbitais ou de fotografias areas visando apenas o mapeamento de uma determinada feio ou classes de cobertura da superfcie terrestre, passaram a incluir a quantificao de parmetros geofsicos e biofsicos, o que exigiu um aprofundamento dos conhecimentos dos princpios nos quais se baseiam as tcnicas de sensoriamento remoto. Esse conhecimento faz-se cada vez mais necessrio em funo das novas possibilidades do uso de dados oriundos de sensores com resolues espaciais cada vez mais finas e que esto possibilitando a realizao de servios considerados impossveis de ser viabilizados atravs do uso dos sensores at ento disponveis como o MSS e TM. o caso do sensor colocado a bordo do satlite IKONOS que tem como objetivo gerar imagens que possibilitem a identificao de objetos de dimenses em torno de de 4 a 5 metros, em faixas espectrais que vo do visvel ao infravermelho prximo. Abrem-se ento novas possibilidades na aplicao de dados gerados a partir das tcnicas de sensoriamento remoto, criando alternativas para o desenvolvimento e aplicao de outras tcnicas, agora denominadas tcnicas de geoprocessamento ou simplesmente geotecnologias. O sensoriamento remoto passa agora a uma outra etapa de sua histria no pas. O objetivo deste curso fornecer algumas informaes bsicas sobre os princpios fsicos nos quais se fundamentam as tcnicas de sensoriamento remoto, apresentar os principais sistemas de coleta de dados, incluindo sistemas sensores fotogrficos e eletro-pticos, informar sobre as caractersticas espectrais dos principais recursos naturais, capacitar os

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participantes na interpretao visual de imagens multiespectrais e informar sobre as principais possibilidades de aplicao das tcnicas de Sensoriamento Remoto.

1.1 Um breve histrico sobre o sensoriamento semotoO desenvolvimento inicial do sensoriamento remoto cientificamente ligado ao desenvolvimento da fotografia e pesquisa espacial. As fotografias areas foram o primeiro produto de sensoriamento remoto a ser utilizado, tanto assim, que a fotogrametria e a fotointerpretao so termos muito anteriores ao termo sensoriamento remoto propriamente dito. A primeira fotografia de que se tem notcia foi obtida por Daguerre e Niepce em 1839 e j em 1840 o seu uso estava sendo recomendado para levantamentos topogrficos. O desenvolvimento nesta direo foi to rpido, que j em 1858 o Corpo de Engenharia da Frana estava utilizando fotografias tomadas a partir de bales para o mapeamento topogrfico de amplas reas do territrio francs. O advento do avio, simultaneamente ao desenvolvimento das cmaras fotogrficas, filmes, etc. trouxe um grande impulso s aplicaes das fotografias para o levantamento de recursos naturais, visto que permitiu a obteno de dados sob condies controladas e com a cobertura de reas relativamente amplas. As primeiras fotografias areas foram tomadas em 1909 pelos irmos Wright sobre o territrio italiano. As fotografias areas coloridas se tornaram disponveis a partir de 1930. Nesta mesma poca j haviam iniciado os estudos para a produo de filmes sensveis radiao infravermelha. Com o incio da 2a Grande Guerra comearam estudos sobre o processo de interao da radiao nessa faixa do espectro com os objetos com a finalidade de utilizar filmes infravermelhos para a deteco de camuflagem. Em 1956 foram iniciadas as primeiras aplicaes sistemticas de fotografias areas como fonte de informao para o mapeamento de formaes vegetais nos Estados Unidos da Amrica. No Brasil datam de 1958 as primeiras fotografias areas na escala 1:25 000 obtidas com o propsito de levantar as caractersticas da Bacia Terciria do Vale do Rio Paraba como parte de um extenso programa de aproveitamento de seus recursos hdricos que culminou com a retificao de seu mdio curso entre Jacare e Cachoeira Paulista, e com a construo dos reservatrio hidreltrico de Paraibuna. O termo sensoriamento remoto apareceu pela primeira vez na literatura cientfica em 1960 e significava simplesmente a aquisio de informaes sem contato fsico com os objetos. Desde ento esse termo tem abrigado tecnologia e conhecimentos extremamente complexos derivados de diferentes campos que vo desde a fsica at a botnica e desde a engenharia eletrnica at a cartografia. O campo de sensoriamento remoto representa a convergncia de conhecimento derivado de duas grandes linhas de pesquisa. De um lado, como j foi dito, o sensoriamento remoto tributrio da aerofotogrametria e da fotointerpretao, de outro lado, seu progresso se deve muito pesquisa espacial e aos avanos tecnolgicos por ela induzidos, resultando em sensores mais sensveis, regies espectrais ampliadas, mtodos radiomtricos, etc. Embora a radiao de microondas fosse conhecida desde o incio do sculo e existissem sistemas de radar em operao desde a 2a Grande Guerra, apenas na dcada de 60 o uso de sistemas radares como sistemas de sensoriamento remoto se tornaram operacionais. O Brasil representa um dos exemplos pioneiros de utilizao de dados de radar aerotransportados para o levantamento de recursos naturais. A partir de 1970 teve incio o Projeto Radar na

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Amaznia (RADAM) que permitiu o levantamento de 8,5 milhes de Km2 do territrio nacional at o fim da dcada de 80. Esse levantamento foi feito pelo sistema GEMS (Goodyear Eletronic Mapping System) operando na banda X (Trevett,1986). A dcada de 60 tambm assistiu ao advento dos sistemas orbitais de sensoriamento remoto. Os primeiros sensores orbitais foram voltados para aplicaes meteorolgicas. Paralelamente houve tambm a utilizao de cmaras fotogrficas para a aquisio de fotografias da superfcie terrestre durante as misses tripuladas da srie Apolo. assim que na dcada de 70 lanado o primeiro satlite experimental de levantamento de recursos terrestres (Earth Resources Technology Satellite). Esse satlite, e o sensor multiespectral que leva a bordo tem tamanho sucesso, que o seu nome modificado para Landsat e se transforma no programa de sensoriamento remoto de mais longa durao j existente, com o 7o satlite da srie lanado em 1999. Em 1978 lanado o primeiro sistema orbital de radar, o SeaSat. Esse satlite, concebido para obter dados para o monitoramento da superfcie ocenica manteve-se em operao por apenas 3 meses. Por razes controvertidas (informao classificada, alta taxa de dados para transmisso telemtrica, alta potncia requerida para operao dos sensores, entre outras) fizeram com que dados orbitais de RADAR s voltassem a ser disponveis na dcada de 90 com o lanamento do satlite sovitico Almaz (1990), ERS-1 (1991), JERS-1 (1992) e RADARSAT (1995). Atualmente existe um grande nmero de satlites de sensoriamento remoto em operao e planejados para entrar em operao. Algumas dessas misses encontram-se resumidas na Tabela 1.1. Maiores detalhes sobre essas misses podem ser encontrados em Kramer (1996). Tabela 1.1 Principais Misses de Sensoriamento Remoto Orbital em Operao e Planejadas at 2002.Misso ADEOS-2 ALOS ARIES CBERS-1 CBERS-2 EOS-AM1 EOS-PM1 EO-1 EROS-A1 EROS-A2 ERS-2 Envisat Ikonos-2 IRS-1B IRS-1C IRS-1D IRS-P4 IRS-P5 IRS-P6 KITSAT-3 Landsat-5 Landsat-7 LightSar QuickBird-1 Lanamento Pas 2000 Japo 2002 Japo 2001 Austrlia 1999 China/Brasil 2001 China/Brasil 1999 USA 2000 USA 2000 USA 2000 Israel 2001 Israel 1995 ESA 2001 ESA 1999 USA 1991 ndia 1995 ndia 1997 ndia 1999 ndia 2002 ndia 2001 ndia 1999 Corea 1984 USA 1999 USA 2002 USA 2000 USA

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QuickBird-2 Radarsat-1 Radarsat-2 Spot-2 Spot-4 Spot-5 OrbView-3 OrbView-4

2001 USA 1995 Canad 2001 Canad 1990 Frana 1998 Frana 2002 Frana 2000 USA 2001 USA

Como pode se observado, O Brasil tambm encontra-se arrolado entre pases detentores de tecnologia para a aquisio de dados orbitais de sensoriamento. Em 1999, aps 10 anos de desenvolvimento, o Brasil e a China lanaram com xito relativo o satlite CBERS (China-Brazil Earth Resources Satellite). Esse satlite foi lanado com trs sensores a bordo: uma cmara de amplo campo de visada (Wide Field Imager WFI), uma camara CCD (CoupledCharged Device) e um sistema de varredura infra-vermelho (IRMSS- Infrared Multispectral System). Atualmente o Brasil est envolvido no projeto de mais duas misses de sensoriamento remoto de recursos terrestres: a misso SSR (Satlite de Sensoriamento Remoto) e a misso SABIA3 (Satlite Argentino-Brasileiro de Informaes sobre gua, Alimento e Ambiente). Alm dessas perspectivas apresentadas h ainda aquelas referentes aos denominados micro-satlites, cujos objetivos variam segundo as mais variadas concepes adotadas. Como exemplo, destaca-se o SPIN-2, da Unio Sovitica, dotado de resoluo espacial de aproximadamente 2 m em seu modo pancromtico.

2. Fundamentos de Sensoriamento Remoto 2.1 ConceituaoA definio clssica do termo sensoriamento remoto (SR) refere-se a um conjunto de tcnicas destinado obteno de informao sobre objetos, sem que haja contato fsico com eles. Para melhor compreender esta definio, faz-se necessrio identificar os quatro elementos fundamentais das tcnicas de SR, os quais podem ser representados atravs do esquema apresentado na Figura 2.1. Fonte

REM

Sensor

Alvo

Fig. 2.1 Esquema representativo dos quatro elementos fundamentais das tcnicas de sensoriamento remoto

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No centro do tringulo deste esquema, encontra-se a Radiao Eletromagntica (REM), que o elemento de ligao entre todos os demais que se encontram nos vrtices. So eles, a fonte de REM, que para o caso da aplicao das tcnicas de sensoriamento remoto no estudo dos recursos naturais, o Sol (pode ser tambm a Terra para os sensores passivos de micro-ondas e termais, podem ser antenas de micro-ondas para os sistemas radares); o sensor, que o instrumento capaz de coletar e registrar a REM refletida ou emitida pelo objeto, que tambm denominado alvo, e que representa o elemento do qual se pretende extrair informao. A partir deste esquema compreende-se que o elemento fundamental das tcnicas de sensoriamento remoto a REM, que no vcuo propaga-se velocidade da luz e sua interao com o meio fsico pode ser explicada atravs de dois modelos: o modelo corpuscular (ou quntico) e o ondulatrio. Sob uma perspectiva quntica, a REM concebida como o resultado da emisso de pequenos pulsos de energia, enquanto que sob uma perspectiva ondulatria, a REM se propaga na forma de ondas formadas pela oscilao dos campos eltrico e magntico. A Figura 2.2 apresenta um esquema da representao dos campos eltrico e magntico e as oscilaes mencionadas.

E= Campo Eltrico; M= Campo Magntico; XZ= Plano de excitao do campo eltrico; YZ= Plano de excitao do campo magntico; Z= Direo de propagao da onde eletromagntica; = Comprimento de onda; Fig. 2.2-Flutuaes dos campos eltrico e magntico de uma onda. FONTE: Novo(1989) No modelo ondulatrio ento a REM caracterizada em comprimentos de onda que representam a distncia entre dois pontos de igual intensidade dos campos eltrico e magntico. O conjunto de comprimentos de onda que compem a REM conhecido como Espectro eletromagntico, o qual dividido didaticamente em um certo nmero de regies espectrais, conforme apresentado na Figura 2.3.

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Fig.2.3-O espectro eletromagntico e suas principais regies. No eixo x deste grfico so encontrados os comprimentos de onda, enquanto que no eixo y, o parmetro E pode ser compreendido como intensidade de REM emitida pela fonte. A linha tracejada representa ento a intensidade emitida a cada comprimento de onda no topo da atmosfera, enquanto que a linha cheia que apresenta algumas descontinuidades, representa esta mesma intensidade agora na superfcie terrestre. Estas descontinuidades so ocasionadas pela influncia da atmosfera que se faz de forma seletiva, ou seja, ela ocorre de forma diferenciada em determinadas regies espectrais. As faixas espectrais nas quais a influncia da atmosfera mnima so denomindadas de janelas atmosfricas. Conforme pode ser observado, em ambas as linhas, as maiores intensidades de REM so ocorrem na faixa de comprimentos de onda compreendida entre 0,4 0,7 m. Esta faixa foi apresentada na Figura 2.3 como sendo a regio do visvel, assim denominada pelo fato de que a maioria dos animais, assim como o homem, so capazes de perceber a REM refletida dos objetos que os rodeiam nesta regio espectral. Cada fonte de REM possui espectos prprios de radiao. O Sol radia a REM segundo o grfico apresentado na Figura 2.4.

Fig.2.4-Intensidade de energia solar no topo da atmosfera na superfcie terrestre e de um corpo negro a 6000o K. FONTE: Swain e Davis (1978)8

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As faixas mais comumente exploradas para fins do SR dos recursos naturais so: visvel, infravermelho prximo, infravermelho mdio e microondas.

2.2 Conceitos radiomtricosPara que se possa compreender melhor como se viabiliza a aplicao das tcnicas de SR no estudo dos recursos naturais, faz-se necessria a apresentao de pelo menos quatro parmetros radiomtricos. O primeiro deles, refere-se Irradincia. Em termos bastante simplificados, a Irradincia representa a intensidade do fluxo radiante, proveniente de todas as direes, que atinge uma dada superfcie. A Figura 2.5 ilustra o aspecto geomtrico mencionado. Vale salientar que neste fluxo radiante esto contidos todos os diversos comprimentos de onda que so radiados pela fonte, segundo suas prprias caractersticas, assim como apresentado na Figura 2.4 para a fonte Sol. Assim que um determinado fluxo radiante atinge uma superfcie, ele sofre trs fenmenos: reflexo, transmisso e absoro. Estes fenmenos so dependentes das caractersticas fsico-qumicas do prprio objeto, que definem as intensidades de reflexo, transmisso e absoro da REM em cada comprimento de onda incidente no objeto.

Fig. 2.5 - Representao grfica dos possveis ngulos de incidncia sobre um alvo. FONTE: Ponzoni e Disperati (1995) Imaginando ento somente a poro refletida pelo objeto, um novo fluxo ser originado em sentido contrrio ao incidente, mas nas mesmas direes. A intensidade deste fluxo pode tambm ser quantificada e expressa pela chamada Excitncia. Parte deste fluxo refletido pelo objeto pode ser coletado por um sensor localizado remotamente. O termo parte refere-se a dois aspectos: um de ordem geomtrica e outro de ordem espectral. O de ordem geomtrica refere-se por sua vez ao fato de que no h instrumentos capazes de registrar a Excitncia, uma vez que seria necessrio o desenvolvimento de um sensor que envolvesse todo o objeto, o que comprometeria a incidncia da REM. Evidentemente poderiam ser desenvolvidos mtodos que permitissem sua estimativa, mas outra soluo foi adotada. Para melhor compreender esta soluo, a Figura 2.5 apresenta um esquema da trajetria da REM proveniente de um ponto da superfcie de um objeto fictcio. Todo sensor possui uma abertura pela qual a REM refletida ou emitada pelos objetos passa em direo ao chamado detetor, que o elemento que realmente sente a REM. Essa abertura possui dimenses variveis e dependentes das caractersticas tecnolgicas do instrumento ou da prpria natureza das operaes de coleta de dados. De qualquer forma, entre esta abertura e o ponto da superfcie do objeto passa a ser definido um cone por onde trafega a REM. Esse cone denominado de ngulo slido. Fica claro que somente a REM que estiver contida neste ngulo slido ser sentida pelo detetor, mas ao mesmo tempo, o sensor no observa somente um ponto na superfcie9

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e sim uma determinada rea desta superfcie, a qual constituda por infinitos pontos. Assim, o que realmente medido pelo sensor a intensidade de todos os infinitos fluxos contidos nos ngulos slidos dos pontos da rea da qual ele capaz de observar. Esta intensidade denominada de Radincia. A Radincia portanto a intensidade do fluxo radiante por unidade de ngulo slido e seu conceito pode ser comparado ao conceito de brilho, ou seja, um objeto considerado mais brilhante quanto maior for sua Radincia medida. O aspecto espectral refere-se ao fato de que a composio espectral do fluxo que deixa a superfcie sofre alteraes que so dependentes das suas caractersticas fsicoqumicas. Assim, a Radincia medida por um sensor pode ser determinada para um intervalo especfico de comprimentos de onda (regio ou banda espectral). No esquema apresentado na Figura 2.5, fica claro que o sensor observa instantaneamente uma determinada poro da superfcie do terreno. A rea desta superfcie define o chamado elemento de resoluo espacial. Desta rea registrado um nico valor de Radincia para cada faixa ou regio espectral que o sensor capaz de perceber a REM refletida ou emitida pelos objetos contidos em seu elemento de resoluo espacial.

Fig.2.5 Representao esquemtica do conceito de Radincia medida atravs de um sensor remotamente localizado. Nota-se portanto a existncia de dois principais aspectos intrnsicos s tcnicas de SR: o aspecto espacial e o aspecto espectral. Estes aspectos so comumente denominados de domnios espacial e espectral, respectivamente. O domnio espacial expresso pela resoluo espacial do sensor, a qual definida como a menor rea da qual o sensor capaz de registrar a REM. O domnio espectral refere-se largura da faixa espectral que este mesmo sensor sensvel. Faixas mais largas conferem uma resoluo espectral menor ao sensor. Contrariamente, elementos de resoluo espacial menores, conferem aos sensor maiores resolues espaciais. Existe ainda um terceiro domnio que o domnio temporal, o qual refere-se ao perodo de tempo compreendido entre duas coletas de dados sobre uma mesma superfcie do

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terreno. Este domnio expresso pela resoluo temporal da plataforma que sustenta o sensor, podendo ser ela uma haste porttil, uma aeronave ou at mesmo um satlite. Diz-se que um sensor possui maiores resolues temporais, quanto menores forem os perodos de tempo entre coletas de dados. Pelo j exposto, pode ser verificado que a Radincia tambm dependente da intensidade do fluxo radiante que atinge o objeto (Irradincia). Quanto maior for essa intensidade, maior tambm ser aquela referente ao fluxo que deixa o objeto, e consequentemente, maior ser a Radincia. Para que se conhea as propriedades intrnsecas dos objetos em termos de sua interao com a REM, faz-se necessria a apresentao de mais um conceito importante que o da Reflectncia. A Reflectncia representa uma relao entre a Radincia refletida de um dado objeto pela Irradincia. Nota-se portanto que a Reflectncia expressa as propriedades instrnsecas dos objetos em refletir a REM sobre eles incidente. Ela expressa em percentagem, possuindo ento um carter relativo. atravs da Reflectncia que so estudadas as caractersticas intrnsecas dos objetos em refletir a REM incidente, pois ela dependente das suas propriedades fsicoqumicas. Este estudo denominado de estudo do Comportamento espectral de alvos, cujos principais aspectos sero apresentados oportunamente.

3. TIPOS DE DADOS DE SENSORIAMENTO REMOTOOs tipos de dados de sensoriamento remoto a ser adquiridos dependem do tipo de informao necessria, do tamanho e da dinmica dos objetos ou fenmenos estudados. Conforme j mencionado anteriormente, a aquisio de dados viabilizada atravs de instrumentos denominados sensores que diferenciam-se entre si pela forma de funcionamente e por suas capacidades (resolues espacial, espectral e radiomtrica). A Figura 3.1 apresenta um esquema no qual so relacionados alguns tipos de sensores e o papel que tm na aquisio dos diferentes tipos de informao.Informao Espacial

Imageadores Altmetros Sondas

s s o ore e d g ea ma Im o os e etr i m di R Ra

Es pe ctr m e tr os im ag e ad ore s

Espectrmetros

Espctroradimetros

Difusmetros Radimetros

Informao Espectral

Informao sobre Intensidade

Fig. 3.1 Diferentes tipos de informaes disponveis em diferentes tipos de sensores (Adaptado de Elachi, 1987). Os dados de sensoriamento remoto podem ser adquiridos no formato de imagens bidimensionais quando so necessrias informaes com alta resoluo espacial, como 11

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o caso da imagem TM/Landsat da Figura 3.2. Tais imagens tambm so importantes quando se deseja informao sinptica sobre amplas reas como aquelas fornecidas pelos satlites meteorolgicos (Figura 3.3). As imagens bidimensionais podem ser adquiridas em diferentes regies do espectro eletromagntico, tais como a regio visvel, termal, microondas, etc.; com canais de diferentes resolues espectrais que vo de poucos nanmetros, como o caso dos sensores hiperespectrais, at sistemas pancromticos que integram radiao em todo o espectro visvel. Os Espectrmetros so utilizados para detectar e medir o contedo espectral de um campo eletromagntico. Este tipo de informao importante para a identificao da composio qumica dos objetos. Quando se estuda a atmosfera, os aspectos espaciais so menos crticos do que quando se estuda a superfcie terrestre, porqu o gradiente de mudana da composio qumica muito menor. Assim sendo, os sensores para o estudo da composio qumica da atmosfera no precisam ter resoluo espacial elevada, mas precisam de excelente resoluo espectral. No caso de estudos da superfcie terrestre, quando h o interesse de conhecer a composio qumica das rochas, por exemplo, torna-se essencial uma boa resoluo espacial, e neste caso, recomenda-se a aplicao de espectrmetros imageadores.

Fig. 3.2 Imagem bidimensional do terreno exemplificada por um subcena de uma imagem do sensor Thematic Mapper a bordo do satlite Landsat-5 Em inmeras aplicaes os aspectos espectrais e espaciais so menos importantes e o que se necessita so medidas precisas da intensidade do campo eletromagntico em uma ampla regio espectral. . Um exemplo de sensores utilizados com essa finalidade so os radimetros, dentre os quais o Advanced High Resolution Radiometer que se encontra a bordo do satlite NOAA. O Radimetro do NOAA foi concebido para fornecer informaes precisas sobre a temperatura. Assim sendo, a resoluo espectral dos canais termais de 1000 nm e a resoluo espacial no nadir de 1, 1 km. Mas a resoluo radiomtrica do sistema, ou seja sua capacidade de medir pequenas variaes na intensidade da radincia medida pelo sensor bastante alta (10 bits).

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Fig. 3.3 Imagem sinptica de um satlite meteorolgico Em numerosas aplicaes, a informao necessria a distribuio tridimensional de uma dada varivel. Neste caso, sensores tais como os altmetros (fornecem informaes sobre a topografia da superfcie) e as sondas (fornecem a distribuio vertical da temperatura na coluna atmosfrica) so extremamente teis.

3.1. Plataformas de sensoriamento remotoAs plataformas de sensoriamento remoto definem o nvel de aquisio dos dados. Esses nveis podem ser orbital (representados pelas plataformas espaciais), areo (representados pelas aeronaves e helicpteros) e terrestre (representados por torres, e sistemas radiomtricos de campo). At o ano de 1946, os dados de sensoriamento foram adquiridos essencialmente a partir de aeronaves ou bales. Em 1946 foram obtidas as primeira fotografias a partir do foguete V-2. Essas fotos demonstraram o imenso potencial que imagens orbitais possuam uma vez que forneciam uma nova perspectiva de observao da Terra. Apesar desse potencial, apenas na dcada de 60 comearam a ser obtidos dados de sensoriamento remoto a partir de plataformas orbitais. Em 1961 foi obtida a primeira fotografia orbital colorida a partir de um cmara automtica colocada a bordo da espaonave MA-4 Mercury. A partir desta data, diversas outras misses orbitais foram realizadas e fotografias obtidas das mais diversa regies do planeta Terra. As plataformas espaciais de sensoriamento remoto podem ser classificadas em plataformas tripuladas tais como as da srie Mercury, Gemini, Apollo na dcada de 60 e os nibus espaciais (Space Shuttle) a partir dos anos 80, ou ainda as plataformas soviticas Vostok, Voskod, Soyuz e no tripuladas, como os vrios programas existentes desde o lanamento dos primeiros satlites meteorolgicos. As plataformas espaciais podem ser classificadas em funo do tipo de rbita em satlites geoestacionrios e satlites de rbita polar. Os satlites de rbita geoestacionria so satlites localizados em rbitas altas (a pelo menos 35 mil quilmetros acima da superfcie da Terra ) no plano do Equador, as quais

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se deslocam mesma velocidade e direo do movimento de rotao da Terra, com isto, o satlite se mantm estacionrio em relao superfcie, observando sempre a mesma regio. Os satlite GOES e Meteosat so exemplos de plataformas espaciais geoestacionrias. Os satlites de rbita polar so sncronos com o Sol, ou seja, sua velocidade de deslocamento perpendicularmente ao plano do Equador tal que sua posio angular em relao ao Sol se mantm constante ao longo do ano. Um satlite de rbita polar completa, em mdia, 15 rbitas em torno da Terra por dia. Cada rbita completada em cerca de 100 minutos. Esses satlites podem assim passar sob todos os pontos da superfcie terrestre sempre no mesmo horrio, seja de dia ou seja a noite. O primeiro satlite experimental a carregar a bordo um sensor meteorolgico foi lanado pelos Estados Unidos da Amrica em 1959. As primeiras plataformas espaciais de sensoriamento remoto foram os satlites meteorolgicos da srie TIROS (Television Infrared Observation Sattelite) lanado pela primeira vez em 1960. O programa teve tal xito que em 1966 j havia um sistema global operacional de aquisio diria de dados meteorolgicos sob a administrao da NOAA (National Oceanographic Atmospheric Administration). No incio da dcada de 60 a National Aeronautics and Space Administration (NASA) deu incio ao programa de satlites da srie Nimbus com o objetivo de atender s necessidades da pesquisa meteorolgica. O programa visava no s o desenvolvimento de plataformas orbitais mais avanadas, mas tambm sensores mais avanados que permitissem o monitoramento dirio e global da atmosfera terrestre para se criar uma base de dados para a previso do tempo de curto e mdio prazo. O satlite Nimbus foi lanado em 1964 segundo uma rbita polar, e o precursor do atual satlite NOAA. Em 1972 foi lanado pela NASA o primeiro satlite de Recursos Naturais o ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite) o qual posteriormente foi renomeado para Landsat-1. O Landsat1- foi seguido de uma srie de satlites, sendo que em 1999 foi lanado o stimo com vrias inovaes tecnolgicas decorrentes no s do desenvolvimento de detetores e componentes pticos mais eficientes, como tambm , em decorrncia das demandas da comunidade de usurios de produtos de sensoriamento remoto. A partir de 1981 os nibus espaciais passaram a prover uma outra plataforma alternativa para a aquisio de dados de sensoriamento remoto. A Segunda misso do nibus espacial levou a bordo um conjunto de sensores orientados para o sensoriamento remoto terrestre, dentre os quais destacam-se um radar imageador, um radimetro operando no visvel e no infra-vermelho. Em um futuro prximo, estes estaro disponveis para a aquisio de dados de sensoriamento a partir de estaes espaciais. As atividades de sensoriamento remoto no se limitam superfcie terrestre. Na verdade, elas tiveram seu incio a partir da necessidade de se obter informaes remotas de planetas como Marte, Mercrio, Venus, Jpiter, Urano. Existem numerosas imagens adquiridas da superfcie da Lua, Mercrio, Marte, Jpiter e dos anis de Saturno, e da atmosfera de Venus, Jpiter, Saturno e Urano. Outros tipos de sensores remotos como radares altmetros, sondas, detetores de radiao gama, radimetros so utilizados em inmeras misses interplanetrias. O uso de sistemas orbitais est se tornando uma necessidade em um nmero grande de disciplinas ligadas s cincias ambientais devido s necessidades de informaes globais e sinpticas a pequenos intervalos de revisita. Esses fatores so essenciais para a observao de fenmenos dinmicos como a atmosfera, os oceanos, e os processos biolgicos e biogeoqumicos.

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A Tabela 3.1 apresenta uma relao de diferentes tipos de informao comumente necessrias em estudos que envolvem a aplicao de tcnicas de sensoriamento remoto, os respectivos tipos de sensores empregados e alguns exemplos de equipamentos atualmente disponveis. Tabela 3.1 Tipos de dados de sensoriamento remoto (Adaptado de Elachi, 1987)Tipo de informao necessria Alta resoluo espacial e amplo recobrimento do terreno Alta resoluo espectral sobre reas limitadas Resoluo espectral limitada com alta resoluo espacial Alta resoluo espectral e alta resoluo espacial Alta preciso de medidas de intensidade ao longo de linhas ou faixas Alta preciso de medidas de intensidade com resoluo espacial moderada Alta preciso de localizao e perfil Mapeamento Tridimensional do Terreno Tipo de Sensor Sensores imageadores e cmeras Espectrmetro e espectro radimetros Mapeadores multiespectrais Espectrmetros imageadores Radimetros e Difusmetros Radimetros imageadores Altmetros e sondas Altmetros Exemplo de Sistemas Large Format Cmera, radar imageador do satlite JERS-1 Shuttle Imaging Spectrometer TM/Landsat, HRV/Spot, RADARSAT AVIRIS, MODIS, ASTER ERS-1 difusmetro SMMR/AVHRR Altmetro TOPEX/Poseidon Shuttle High Resolution Altimeter

3.2 Sistemas sensores: sistemas fotogrficosUma vez que a energia emitida, retro-espalhada, ou refletida pelo alvo atinja o sensor, este deve ser capaz de realizar duas funes bsicas: a ) focalizar a energia sobre um detetor; b) transformar a energia focalizada numa intensidade de sinal passvel de ser registrada de forma permanente. Assim sendo, todos os sistemas sensores so composto por um sistema de lentes, um sistema de abertura ptica e um detetor. Nesse sentido, todo sistema sensor pode ser melhor compreendido atravs de sua analogia com o sistema visual humano. O estudo do sistema visual humano permite compreender as funes bsicos de um sistema sensor. Segundo Slater (1980) o olho humano desempenha um papel muito importante na atividade de sensoriamento remoto, no s pela semelhana com os sistemas sensores desenvolvidos a partir de analogias com a viso humana, mas tambm, pelo fato de que toda a anlise das imagens de sensoriamento remoto e todas as atividades de interpretao dessas imagens repousam no processo de interpretao de cores, padres e texturas. Segundo Slater (1980) os olhos so o derradeiro sensor contra o qual os demais so calibrados.

3.2.1. O sistema visual humanoUma completa descrio do olho humano pode ser encontrada em Maluf Rosa (1999). Como pode ser observado na Figura 3.4, o globo ocular formado por trs membranas: a) uma membrana externa, chamada esclertica, formada por um tecido fibroso e responsvel pela proteo das membranas internas e pela manuteno da forma do olho. A poro anterior da esclertica formada por um tecido transparente chamado crnea; b) uma membrana mdia, chamada vascular, formada pela coride, pelo corpo ciliar e pela iris. Na poro anterior da membrana forma-se uma pequena abertura circular denominada pupila;

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c) uma membrana interna, chamada retina ou membrana nervosa, formada por receptores, especializados em responder estimulao pela luz e em transformar a energia luminosa em impulsos nervosos responsveis pela sensao de viso. A iris um diafragma circular, situado atrs da crnea e possu uma abertura circular chamada pupila. A iris formada por dois tipos de fibras musculares lisas dispostas circularmente e radialmente. Essas fibras so responsveis pela variao do dimetro de abertura da pupila nos processos de acomodao do olho a diferentes intensidades luminosas e a diferentes distncias dos objetos. Entre a esclertica e a crnea forma-se um meio transparente chamado humor aquoso, que preenche o espao vazio entre a crnea e o cristalino. O cristalino formado por um conjunto de lentes biconvexas encerradas por uma membrana fina chamada cpsula, e localizado imediatamente atrs da iris. O cristalino encontra-se pequena distncia atrs da pupila, e mantido na posio atravs dos ligamentos suspensores. A cavidade ocular posterior ao cristalino preenchida por uma substncia gelatinosa transparente chamada corpo vtreo.

Fig. 3.4 Esquema do Olho Humano (Adaptado de Slater, 1980) A imagem formada pelas lentes focalizada na retina, na poro posterior do olho. A retina, como j mencionado possui um mosaico de receptores sensveis a luz, conhecidos por cones e bastonetes. Os cones ocupam uma regio chamada de fvea central, ao longo do eixo ptico. A fvea central a regio da retina humana de maior acuidade visual, visto que os cones so sensveis a altos e mdios nveis de intensidade luminosa e s diferenas de comprimento de onda da energia proveniente dos diferentes objetos. Assim sendo, a percepo de cor funo dos cones, e se d principalmente na regio da fvea central. A medida em que se distancia da fvea central a densidade de cones da retina diminu e esta passa a ser formada por bastonetes, os quais so responsveis pela deteco de baixos nveis de energia, e no sensveis a cor. Os cones so, desta forma, responsveis pela viso fottica ou diurna, e os bastonetes, pela viso escottica ou noturna. O mximo de sensibilidade mdia do olho humano viso diurna encontra-se em 555 nm, enquanto o mximo de sensibilidade do olho humano viso noturna encontra-se em 505 nm. A maior sensibilidade dos bastonetes a nveis mais baixos de energia se d em detrimento da acuidade visual. Os cones permitem o reconhecimento de objetos muito menores do que os bastonetes.

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3.2.2- Analogia entre o olho humano e a cmera fotogrficaExistem grandes semelhanas entre o olho humano e os sensores em geral, e a cmera fotogrfica em particular. Essas analogias podem ser observadas na Figura 3.5. Em ambos os sistemas, os raios luminosos so refratados e focalizados atravs de sistemas de lentes sobre uma superfcie sensvel. Na cmera fotogrfica, esta superfcie sensvel a pelcula fotogrfica (nos sensores de varredura multiespectral so os detetores). Nos olho humano esta superfcie sensvel a retina. O meio refringente na cmara fotogrfica so as lentes, nos sensores de varredura so lentes, grades de difrao, espelhos, etc e no olho humano o cristalino, a crnea, e em menor grau o humor aquoso e o humor vtreo.

Fig. 3.5 - Esquema geral do olho humano como uma analogia de um sensor (Adaptado de Maluf Rosa, 1999). Como pode ser observado na Figura 3.5, a imagem de um objeto sofre uma inverso ao atingir a pelcula. O mesmo ocorre com a imagem retiniana. o processamento no crebro que determina o reposicionamento da imagem. Da mesma forma, para que a imagem formada sobre a pelcula fotogrfica corresponda imagem real, o filme submetido a processamento fotogrfico.

3.2.3. Viso das coresExistem diversas teorias sobre a viso das cores. A teoria mais aceita preconiza que existem trs tipos de cones (receptores): sensveis luz vermelha, sensveis luz verde e sensveis luz azul. A luz branca ao incidir sobre a retina, estimularia igualmente todos os receptores. A luz vermelha ao incidir sobre a retina apenas estimularia os receptores sensveis quela radiao provocando a percepo visual da cor vermelha. Quando a cor amarela vista, a sensao resulta do fato de que tanto os receptores sensveis ao verde quanto ao vermelho esto sendo estimulados com a mesma intensidade.

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O primeiro cientista a provar que a sensao de luz branca era o resultado da existncia simultnea de luzes de vrios matizes foi Isaac Newton . Atravs de um experimento simples, que consistiu em fazer incidir um feixe de luz branca sobre um prisma. A luz emergente do prisma projetada num anteparo branco resultou numa sucesso de diferentes matizes semelhantes s observadas em um arco-iris. O fato de o prisma promover a decomposio da luz branca comprova a natureza ondulatria da radiao, visto que esta se deve a variao do ndice de refrao do prisma nos diferentes comprimentos de onda. Cada matiz decomposto est dessa forma associado a uma determinada freqncia de radiao ou comprimento de onda.

3.3 Sistemas fotogrficosO sistema fotogrfico composto basicamente por um sistema de lentes, um obturador e um filme. As lentes tem a funo de focalizar a imagem do objeto sobre o filme. O obturador, por sua vez, controla o tempo de exposio do filme. As cmaras areas foram os primeiros sistemas sensores a serem utilizados para a extrao de informaes sobre a superfcie terrestre. Apesar do grande nmero de modelos diferentes de cmaras areas utilizadas em aero-levantamentos, estas podem grosseiramente ser classificadas em duas categorias: cmaras mtricas e cmaras de reconhecimento. As cmaras mtricas so utilizadas com finalidade cartogrfica o que faz com que sua configurao seja adaptada para que as distores geomtricas sejam minimizadas. As cmaras de reconhecimento so utilizadas, como o prprio nome diz, para a identificao de objetos, para a vigilncia, sem preocupao com a aquisio de dados quantitativos (distncia, tamanho, etc.) sobre os objetos imageados. Um dos componentes fundamentais dos sistemas fotogrficos so os filmes fotogrficos. O filme fotogrfico consiste de uma camada gelatinosa que contm cristais de sais insolveis de prata (cloreto, brometo ou iodeto) conhecidos como haletos de prata ou halogenetos de prata. Os gros individuais de sais de prata possuem tamanho varivel entre 0,01 e 0,03 mcrons. Esse conjunto gelatinoso impregnado de sais de prata conhecido tecnicamente pelo nome de emulso. Ao atingir a emulso, a luz reage com os sais de prata e reduz os ons prata a tomos de prata metlica. A quantidade de prata reduzida pela luz proporcional a intensidade da luz incidente. Entretanto, mesmo sob condies de alta incidncia, a quantidade de ons convertidos a prata muito pequena, e se forma na emulso uma imagem latente do objeto fotografado (ou seja, uma imagem escondida, no revelada). Para que a imagem latente se transforme em uma imagem do objeto, o filme precisa ser submetido ao processo de revelao. Na imagem latente, cada gro de prata possui um ncleo de prata metlica cujo tamanho proporcional luz incidente naquele ponto. O processo de revelao consiste em provocar o aumento do ncleo de prata metlica de cada gro de prata. O poder de resoluo do filme depende do tamanho dos sais de prata. medida que aumenta o tamanho dos sais, diminui a capacidade do filme de registrar pequenos detalhes. Por outro lado, quando menor o tamanho dos sais de prata, menor a sensibilidade do filme, ou seja, menor sua capacidade de gerar uma imagem latente sob condies de baixa iluminao. Outro componente dos filmes so os corantes, os quais so responsveis pela absoro seletiva da luz antes que estas atinjam os sais de prata. Por isso, os corantes so

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utilizados para sensibilizar os gros em relao a qualquer cor de luz desejada atravs do espectro visvel at o limite da radiao infravermelha. Os filmes podem ser caracterizados por sua velocidade (ou sensibilidade), granularidade (tamanho dos gros de prata), resoluo espacial e curva caractersitica (curva de sensibilidade). A Figura 3.6 mostra a curva caracterstica de um filme e os conceitos a ela associados. Pela anlise dessa figura, pode-se observar que a densidade do filme proporcional exposio do filme. Quanto maior a exposio, maior a densidade do filme, ou seja, mais sais de prata so transformados em prata metlica. A inclinao da curva caracterstica em sua regio linear expressa pela tangente do ngulo e representa o valor de gama do filme (). A gama do filme expressa o seu contraste. Um filme com gama maior que 1 (um) tem um contraste maior do que um filme com gama menor que 1 (um), visto que a energia incidente sobre o filme distribuda para um amplo range de nveis de cinza ou matizes no caso de filmes coloridos.

Fig. 3.6 Curva caracterstica de um filme. A velocidade dos filmes fornecida em termos de unidades de ASA (American Standard Association) para filmes comuns ou em termos de unidades de AFS (Aerial Film Speed), para filmes especialmente concebidos para misses de aerolevantamento. A Tabela 3.1 exemplifica a relao entre granularidade, velocidade, e resoluo espacial da fotografia area para uma dada escala. Tabela 3.1 - Relacionamento entre as diferentes caractersticas de um filme (adaptada de Curran, 1985).Filme 3414 3410 2402 2403 Tipo de Filme Reconhecimento Reconhecimento Mtrico Mtrico AFS 8 40 200 640 Granularidade 1 2 3 4 Resoluo espacial (linhas por mm para um contraste 1,6:1) 250 80 50 25 Resoluo Espacial na escala 1:15000 6 19 30 60

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A Figura 3.7 permite comparar dois filme de velocidade diferentes. O Filme A um filme rpido, e o filme B um filme lento. Em outras, palavras, o Filme A, tem um gama maior que 1 (um), um contraste alto, alta granularidade e pequena amplitude de exposio. O filme sensvel a baixos nveis de exposio e pode ser usado em situaes que a velocidade de exposio deve ser alta. A resoluo radiomtrica do filme pequena, mas sua resoluo espacial alta. O filme B um filme com um valor de gama menor do que 1 (um), baixo contraste e baixa granularidade.

Fig 3.7 Comparao de curvas caractersticas de filmes Existem diferentes tipos de filmes, mas eles podem ser classificados em duas amplas categorias: filmes preto e branco e filmes coloridos. Os filmes preto e branco caracterizam-se por serem sensveis a uma ampla regio do espectro eletromagntico. Os filmes preto e branco foram e so amplamente utilizados em atividades de aerolevantamento em fotogrametria pr vrias razes: 1) so mais baratos; so geometricamente estveis, so ideais para aplicaes mtricas. Historicamente os filmes preto e branco tem sido amplamente utilizados em estudos e aplicaes relacionadas ao levantamento de recursos naturais. Dentre as aplicaes mais populares destacam-se: mapeamento geolgico; identificao de culturas; levantamento de solos, etc. Outro tipo de filme preto e branco amplamente utilizado o filme infravermelho preto e branco. A principal diferena entre o filme pancromtico e o infravermelho preto e branco que este ltimo tem sua sensibilidade estendida regio do infravermelho prximo. Este filme pode ser usado com ou sem filtros. Quando utilizado com filtros que bloqueiam a radiao visvel permite a aquisio de fotografias na regio do infravermelho prximo. Este tipo de filme muito til em estudos voltados a identificao de doenas em plantas. A sensibilidade desse filme umidade do solo torna esse filme muito til tambm para mapear a condio hdrica dos solos. Essa mesma caracterstica do filme tem sido utilizada para localizar limites geolgicos associados a variaes no contedo de umidade e profundidade da camada de intemperismo. Os filmes infravermelhos podem ser tambm utilizados em sistemas fotogrficos multi-bandas. Neste caso, sistemas de lentes e filtros permitem que a radiao em

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diferentes comprimentos de onda sejam focalizadas em diferentes regies do filme, permitindo a recomposio posterior de uma fotografia colorida infra-vermelho. A Figura 3.8 mostra de forma esquemtica um filme adquirido com um sistema fotogrfico multi -banda. A cena foi imageada simultaneamente atravs de um filtro vermelho, verde, azul e infravermelho.

Fig. 3.8 Esquema de um filme infra-vermelho utilizado para adquirir fotografia area multibanda. O quadro vermelho representa a imagem sensibilizada pela luz vermelha, o quadro verde pela luz verde, o quadro azul pela luz azul e o quadro lilaz pela radiao infravermelha. A composio colorida obtida combinando-se trs a trs as diferentes imagens. Pode-se gerar uma composio infra-vermelha colorida, combinando-se, por exemplo, a imagem obtida no azul, no verde e no infra-vermelho, e associando-se cada uma dessas imagens a filtros das cores azul, verde e vermelho, respectivamente. Assim, na composio resultante todas as superfcies com alta intensidade de sinal infra-vermelho aparerecero na cor vermelha. Outra ampla categoria de filmes so os filmes coloridos. O olho humano pode perceber mais do que 20 000 variaes de cores, enquanto percebe apenas 200 variaes de nveis de cinza. Apenas esta diferena na percepo humana de cores j demonstra que os filmes coloridos apresentam um potencial de informao maior do que aquele apresentado pelos filmes preto e branco. Os filmes coloridos foram desenvolvidos de modo a simular a sensibilidade do olho humano as cores. Assim sendo, os modernos filmes coloridos possuem trs camadas fotogrficas: uma sensvel luz azul, outra sensvel a luz verde e outra sensvel luz vermelha. As trs camadas so superpostas formando um trio. Como a sensibilizao de uma camada sensvel ao verde ou vermelho no limita sua sensibilidade radiao azul, a camada azul colocada em primeiro lugar. Entre esta camada e as demais colocado um filtro amarelo para absorver o remanescente da radiao azul, evitando que as demais camadas sejam atingidas por ela. Alm dos gros fotogrficos, as camadas de um filme colorido possuem acopladores de cor (corantes). Assim sendo, na camada sensvel ao vermelho, o acoplador escolhido de maneira que o corante formado absorva a luz vermelha, resultando assim a formao da cor complemetar, o ciano. De modo semelhante, forma-se um corante magenta na camada sensvel ao verde, e um corante amarelo na camada sensvel ao azul. O processo de formao de cores, nesse caso subtrativo. As cores do objeto de interesse so subtradas da imagem latente, sendo registrada apenas sua cor complementar. A Figura 3.9 ilustra o processo de formao de cores atravs da sensibilizao e revelao de um filme colorido.

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Fig. 3.9 Exemplo de processamento de filme colorido O custo de aquisio de fotografias areas coloridas muito mais elevado do que o da aquisio de fotografias pancromticas. Os filmes coloridos tm sido utilizados para uma ampla gama de aplicaes em ecologia e em geocincias. Devido grande variedade de cores relacionveis a diferentes espcies vegetais, as fotografias areas coloridas tem sido amplamente utilizadas na identificao de espcies; elas so tambm bastante utilizadas no estudo de diferentes tipos de culturas agrcolas. Existem ainda filmes coloridos infravermelhos e filmes infravermelhos falsacor cuja estrutura e processamento so bastante similares a dos filmes coloridos. O filme infravermelho falsa cor utiliza a camada sensvel ao azul para registrar a radiao verde, e a camada sensvel radiao vermelha para registrar a radiao infra-vermelha. Assim sendo, as fotografias infravermelhas coloridas falsa-cor no trazem informaes sobre o componente azul dos alvos, visto que ele bloqueado por um filtro antes de atingir o filme. Assim sendo um objeto de cor azul da cena, aparecer negro em uma fotografia colorida falsa cor. A Figura 3.10 ilustra a estrutura de um filme infra-vermelho falsa cor.

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Fig. 3.10 Estrutura de um filme infra-vermelho colorido falsa cor. Os filmes infravermelhos falsa cor so amplamente utilizados em diversas aplicaes ambientais, as quais incluem a classificao de reas urbanas, o monitoramento da umidade do solo, a avaliao de desastres ambientais, na avaliao do estado fitossanitrio de culturas agrcolas e de plantios de essncias florestais, entre outras. Este tipo de filme mais til em situaes em que as caractersticas da vegetao sejam o elemento essencial de caracterizao do estado da superfcie. Uma das aplicaes mais difundidas do filme infravermelho colorido falsa cor a identificao de reas de anomalias geobotnicas, as quais podem ser associadas a reas de ocorrncia de regies com potencial para a explorao mineral. Outra aplicao importante dos filmes infravermelhos coloridos falsa-cor a delimitao de regies alagadas em reas de difcil acesso. Este tipo de informao de grande utilidade em aplicaes militares, visto que permite a avaliao das condies de trfego de veculos pesados.

3.4 Obteno de medidas a partir de fotografias areas.A obteno de medidas a partir de fotografias areas requer o conhecimento de suas propriedade geomtricas. As duas propriedades geomtricas mais importantes de uma fotografia area so as propriedades angulares e a escala da fotografia. Em funo do ngulo de aquisio da fotografia area ela pode ser classificada em vertical, oblqua e oblqua baixa, conforme Figura 3.11. As fotografias areas mais amplamente obtidas so as fotografias areas verticais, visto que suas propriedades se assemelham s propriedades de um mapa, com escala quase constante ao longo da cena fotografada. A grande vantagem das fotografias areas oblquas a de que para uma mesma altura de vo elas podem recobrir reas muito mais amplas do terreno, sendo portanto mais teis em atividades de reconhecimento.

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Fig. 3.11 Geometria de aquisio de fotografias areas. As fotografias areas verticais devem ser obtidas de tal modo que o ngulo entre o eixo ptico da cmara e a perpendicular ao datum da superfcie imageada nunca exceda a 3o. Essa condio muitas vezes difcil de ser alcanada em condies normais de aerolevantamento devido problemas de turbulncia atmosfrica. Para minimizar tais efeitos sobre a qualidade geomtrica das fotografias areas verticais so utilizados instrumentos a bordo da aeronave seja para compensar a movimentao da plataforma, seja para medir os desvios da posio de modo a corrigir eventuais distores nas fotografias obtidas. As fotografias oblquas so obtidas quando o ngulo entre o eixo ptico da cmera e a perpendicular ao datum superior a 10o . As fotografias oblquas podem ser classificadas ainda em oblquas altas (oblquas propriamente ditas) e oblquas baixas. As fotografias oblquas altas so aquelas que contm o horizonte aparente da cena o qual pode ser utilizado para gerar uma grade em perspectiva que permite correes de escala. As fotografias obliqas baixas no contm o horizonte aparente tornando mais difcil a determinao das diferenas de escala ao longo da cena. As fotografias areas verticais geralmente so obtidas em seqncias ao longo de uma linha de vo de tal modo que apresentem sobreposio da ordem de 60%. Este recobrimento ao longo da linha de vo permite a aquisio dos chamados pares estereoscpicos, os quais so usados para que o terreno possa ser visualizado em trs dimenses. De modo que toda a rea imageada seja recoberta em sucessivas linhas de vo, convencionou-se tambm um recobrimento lateral de 30 % entre linhas de vos adjacentes. Outra propriedade importante das fotografias areas a sua escala. A escala da fotografia area determina o seu valor para diferentes aplicaes. Fotografias areas de escalas pequenas (menores do que 1:50.000) proporcionam viso sinptica da superfcie e a possibilidade de observar extensas areas. Entretanto o nvel de resoluo da fotografia nessa escala bem pequeno, e ela permite apenas mapeamentos de carter regional. Uma fotografia area com escala grande (1:2.000) permite a aquisio de informaes localizadas em pequenas areas com alta resoluo espacial. Podem ser mapeados objetos de dimenses inferiores a 1 metro e so muito teis em estudos urbanos, no estudo de hbitos alimentares de animais, entre outros.

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A escala da fotografia (E) depende de duas variveis: distncia focal da cmara (f) e altura de vo (Av). A distncia focal da cmara a distncia entre o centro da lente e o filme. A altura de vo a altura da lente em relao ao nvel do mar (A), menos a altura da superfcie imageada em relao ao nvel do mar(a). Essas relaes podem ser observadas na Figura 3.12.

Fig. 3.12 Grandezas relacionadas escala fotogrfica (adaptado de Curran, 1985). Com base na Figura 3.12 pode-se verificar que a escala da fotografia area pode ser obtida a partir da relao expressa pela equao 3.1: f f E = ------------ = -----------................................................................(3.1) A-a Av Quando a altura de vo desconhecida ou quando a altura da superfcie em relao ao nvel do mar desconhecida, pode-se estimar a escala da fotografia area estabelecendo uma relao entre o tamanho dos objetos na superfcie e sua dimenso nas fotografias areas. Mede-se a distncia entre dois pontos no terreno (DT) e a mesma distncia entre os pontos na fotografia area (DF). A escala ser dada pela razo conforme equao 3.2. DF E =-------------- .................................................................................(3.2) DT

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3.4.1 Viso estereoscpicaUma das grandes vantagens da fotografia area a possibilidade de viso tridimensional ou estereoscpica. Esta viso possvel devido ao chamado efeito de paralaxe. Este efeito consiste na possibilidade de observao simultnea de um mesmo objeto segundo dois ngulos de observao distintos. Este efeito utilizado pelo crebro humano para proporcionar a percepo de profundidade, no caso especfico da viso humana. Este efeito aproveitado ao se obterem fotografias areas para que possa reproduzir a percepo humana de viso em profundidade. Para que as fotografias areas possam ser observadas estereoscopicamente so necessrios equipamentos conhecidos pelo nome de estereoscpios. Existem dois tipos bsicos de estereoscpios: os estereoscpios de bolso, que permitem a visualizao de pequenas regies da foto, e os esteroscpios de espelho, que permitem a viso de todo o modelo estereoscpio reproduzido por um conjunto de fotos. A propriedade de paralaxe do modelo estereoscpico permite a aquisio de medidas de altura a partir de fotografias areas. A Figura 3.13 ilustra o procedimento utilizado para a obteno de medidas de altura a partir de pares estereoscpicos.Distncia entre os topos da rvore

Distncia entre as bases da rvore

Distncia entre os centros da foto

Fig. 3.13 Esquema de aquisio de medidas de altura de objetos em fotografias areas verticais. A altura do objeto de interesse pode ser obtida a partir da equao 3.3: p x Av H=--------------------- ...................................................................................(3.3) Pa + p onde: h= altura do objeto p= diferenas em distncia entre o topo e a base do objeto nas duas fotografias (em mm) Pa = distncia entre o ponto central das fotos Av= altura de voo.

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3.5 Interpretao de fotografias areasA interpretao de fotografias areas pode ser formalmente definida como o ato de examinar imagens fotogrficas com o propsito de identificar objetos e exercer julgamento sobre o seu significado. Durante o processo de interpretao, os intrpretes realizam tarefas tais como: deteco, reconhecimento e identificao, anlise, deduo, classificao, idealizao e determinao da exatido. O processo de deteco envolve o ato de identificar objetos que so imediatamente visveis tais como confluncias de rios, estradas, ou indiretamente visveis, tais como reas de solos encharcados. O processo de reconhecimento envolve dar nomes aos objetos e deduzir o seu significado e est relacionado aos chamados elementos da fotointerpretao que so: a forma, a textura, o tamanho, a cor, a tonalidade, a sombra e o contexto. Cada um destes elementos tem sua correspondncia com os domnios das tcnicas de sensoriamento remoto que so o domnio espacial, o espectral e o temporal. O intrprete de fotografias areas precisa primeiramente saber com exatido a sensibilidade espectral do filme utilizado na gerao das fotografias com as quais elaborar o servio de interpretao, uma vez que a cor, a tonalidade e as sombras assumidas pelos objetos nas fotografias sero funo do processo de interao da REM com esses mesmos objetos, assim como j discutido anteriormente. A escala das fotografias exerce influncia direta na definio das formas, das texturas, dos tamanhos e no contexto assumidos pelos objetos. Sob ponto de vista espectral, os filmes fotogrficos atuam em regies relativamente extensas do espectro eletromagntico, o que lhes confere resolues espectrais grosseiras quando comparados com os sensores eletro-pticos (que sero apresentados a seguir).

3.6 Sistemas sensores: imageadores eletro-pticos 3.6.1 Sistemas imageadoresA principal diferena entre os sistemas fotogrficos e os sistemas imageadores eletro-pticos reside no fato de que estes podem produzir um sinal eltrico o qual pode ser transmitido a uma estao remota. Enquanto os sensores fotogrficos possui um detetor fotoqumico (o filme), os sensores imageadores eletro-pticos possuem detetores capazes de transformar a radiao eletromagntica em um sinal eltrico. Se for abstrada a diferena entre os tipos de detetores, os sistemas imageadores eletro-pticos possuem basicamente os mesmos componentes de um sistema fotogrfico, ou seja, um sistema coletor de energia composto por lentes e espelhos, cuja principal funo concentrar a radiao proveniente do objeto sobre um detetor. Para o caso dos sistemas fotogrficos, a resoluo espectral dada pela sensibilidade espectral do filme fotogrfico utilizado, enquanto que a resoluo espacial dependente do tamanho dos sais de prata. Nos sistemas eletro-pticos, a resoluo espectral dependente da sensibilidade espectral de detetores, geralmente constitudos por ligas metlicas que tm a propriedade de traduzirem determinados valores de radincia em pulsos eltricos; enquanto que a resoluo espacial funo do tamanho do elemento de resoluo da cena, corriqueiramente denominado de pixel (Picture Element). Para melhor entender do que estamos tratando, observemos a Figura 3.14 que ilustra a configurao bsica de um sistema imageador. Como pode ser observado nessa figura, a radiao proveniente de um pixel da superfcie terrestre passa atravs de um telescpio (um conjunto de lentes que permite focalizar a radiao proveniente de um pixel do terreno sobre um espelho giratrio, o qual reflete a radiao para um sistema tico a partir do qual ela direcionada para uma grade dicrmica com a propriedade de27

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dividir a radiao em dois grandes conjuntos no tocante ao comprimento de onda: radiao solar refletida; radiao solar emitida. A radiao solar refletida dividida em seus diferentes comprimentos de onda atravs de um prisma, e detectada e amplificada pelos detetores e pramplificadores. A radiao termal por sua vez e direcionada aos detetores e pr-amplificadores. Toda a informao passa por um sistema de controle eletrnico que a direciona para os diferentes sistemas de registro.

Fig. 3.14 Configurao bsica de um sistema imageador Como pode ser observado na Figura 3.14, o telescpio controla o campo instantneo de visada do sensor (instantaneous field of view IFOV), o qual representa a poro do terreno projetada sobre o detetor a cada instante. O IFOV uma varivel muito importante do sistema sensor visto que ele interfere na resoluo espacial das imagens geradas. Para uma dada altura de vo, o IFOV est relacionado diretamente com o tamanho do pixel e inversamente com a resoluo espacial. Quanto maior o IFOV, maior o tamanho do pixel e menor a resoluo espacial. O IFOV pode ser utilizado para calcular a resoluo espacial da imagem a partir da equao 3.4: D = H .....................................................................................................(3.4) Onde: D= dimentro do elemento de amostragem no terreno (em metros) H= altura da plataforma = IFOV ( em radianos) O IFOV uma medida angular e determinado atravs da equao 3.5:

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IFOV = D/f radianos ..............................................................................(3.5) Onde: D= dimenso do detetor f= distncia focal Pode-se tambm determinar a dimenso linear do IFOV a partir da equao 3.6: IFOV = HD/f metros ..............................................................................(3.6) Onde D= dimenso do detetor H= altura da plataforma F = distncia focal. A Figura 3.15 ilustra a relao entre IFOV, altura da plataforma e distncia focal.

Fig. 3.15 Ilustrao do conceito de IFOV O espelho giratrio acionado por um pequeno motor e mantido a um ngulo de 45o, de tal forma que medida em que gira, ele varre uma faixa do terreno perpendicularmente ao deslocamento da plataforma. O comprimento da linha de varredura determina o Campo de Visada do Sensor (Field of View). Para um dado FOV, o comprimento da linha de varredura determina a largura da faixa imageada pelo sensor e depende da altura da plataforma. O tempo de varredura (ou seja a velocidade do espelho giratrio) deve ser ajustada velocidade de deslocamento da plataforma. A radiao refletida geralmente detectada por detetores de silcio. A radiao termal geralmente detetada por detetores de antimoneto de ndio (sensvel radiao entre 3 e 5 m), ou de telureto de mercrio e cdimio (sensvel radiao de 8 a 14 m). Todos os detetores29

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termais precisam ser resfriados temperaturas de 243o C o que feito a partir do uso de hlio ou nitrognio lquido. O tipo e o sistema de registro de um sistema imageador depende da tecnologia utilizada. A maioria dos sistemas aerotransportados possuem um tubo de raios catdicos que permite que o operador observe os dados na medida em que so adquiridos. Alguns sistemas possuem tambm subsistemas de registro analgico dos dados em filmes. Outros sistemas registram os sinais eletricos diretamente em fitas magnticas, outros sistemas, os mais modernos, permitem a converso dos sinais analgicos em digitais antes de serem armazenados ou trasmitidos telemetricamente. Conforme mencionado anteriormente, a resoluo espacial destes sistemas eletro-pticos dependente do tamanho do pixel. A Figura 3.16 apresenta uma cena imageada com quatro diferentes resolues espaciais. medida que o tamanho do pixel aumenta, a imagem resultante apresenta-se menos definida, o que implica em concluirmos que quanto maior o tamanho do pixel, menor a resoluo espacial do sensor. 1m 2m

3m 5m Fig. 3.16 - Simulao de dados de sensoriamento remoto orbital (resolues 1m, 2m, 3m e 5m). Fonte: Jensen (1995), p.9 As alteraes da escala destas imagens tambm difere um pouco do procedimento adotado com os filmes fotogrficos. Aqui, imaginando uma imagem gerada a partir de um sistema eletro-ptico e visualizada em uma tela de um computador na escala de 1:100.000. Para alterarmos essa escala para 1:50.000, por exemplo, ocorrer um processo denominado de reamostragem, no qual alguns pixels de cada linha gerada no imageamento sero retirados da imagem e seus vizinhos passaro a ocuparem seus lugares, dando a impresso de que os objetos

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contidos na cena aumentam de tamanho, mas em realidade, o que est de fato acontecendo a perda de informao.

3.6.2 Tipos de imageadoresOs sistemas imageadores podem ser grosseiramente classificados em trs tipos: imageadores de quadro; matriz linear de detetores, e varredores mecnicos. A Figura 3.17 ilustra as principais diferenas de configurao desses diferentes tipos.

Fig. 3.17 Tipos de Sistemas Imageadores (Adaptado de Elachi, 1987) Os imageadores de quadro so os mais antigos e se desenvolveram a partir dos sistemas de televiso. Tais sensores possuem um sistema ptico grande angular que focaliza toda a energia proveniente da cena sobre um tubo foto-sensvel. Ao contrrio do esquema de imageamento da Figura 3.16, em que a imagem vista e construda ponto a ponto, no sistema de quadro, a imagem formada instantaneamente sobre o tubo foto-sensvel. Essa imagem ento varrida por um feixe de eletrns e convertida em sinal. As superfcies foto-sensveis que formavam o tubo desses sistemas eram limitadas a radiao visvel o que reduzia problemas de difrao da luz e permitia um longo tempo de exposio o que garantia melhor definio do sinal recebido. Um exemplo dos sistemas de quadro so as cmaras RBV (Return Beam Vidicon) que operavam a bordo dos trs primeiros satlites da srie Landsat. Mais informaes sobre a configurao do sistema podem ser obtidas em Slater (1980). Esse tipo de sistema sensor foi substitudo amplamente pelos sistemas de varredura mecnica e pelos sistemas baseados em matrizes de detetores. As principais limitaes tecnolgicas que o tornaram superado foram: 1) sensibilidade espectral limitada; 2) preciso radiomtrica limitada.

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Os sistemas de varredura mecnica compem-se basicamente de um espelho giratrio que varre a superfcie imageada e focaliza a energia proveniente do solo sobre um detetor pontual. Assim sendo, a imagem construda ponto a ponto a cada variao instantnea da posio do espelho. Os imageadores baseados em matrizes lineares de detetores utilizam sistemas pticos de grande campo de visada, o que permite que toda a faixa perpendicular ao deslocamento da plataforma seja imageada instantaneamente. A medida que a plataforma se move ao longo da rbita, linhas sucessivas so imageadas pela matriz linear e amostradas por um multiplexador responsvel pela transmisso dos sinais. Esse sistema tem diversas vantagens dentre as quais a possibilidade de um maior tempo de integrao do sinal em cada detetor, o que aumenta a razo sinal/rudo (nvel de rudo do detetor baixo em relao ao sinal registrado). Outra caracterstica interessante a ausncia de partes mveis (tais como o espelho giratrio) sujeitas a desgaste mecnico ao longo do tempo de operao do sensor. O sistema apresenta tambm algumas desvantagens, dentre as quais o grande nmero de detetores envolvidos e necessidade de intercalibrao entre eles e aumento da necessidade de processamentos para correo radiomtrica dos dados. A Tabela 3.2 permite comparar os trs sistemas de imageamento eletro-ptico, suas vantagens e desvantagens. Tabela 3.2 Comparao entre os diferentes sistemas de imageamento (Fonte: Elachi, 1987)Tipo Sistema de Quadro (varredura eletrnica) Varredura Mecnica Vantagem Desvantagem Baixa resoluo espectral Limitao da rea da superfcie Dados em formato digital foto-sensvel Boa fidelidade geomtrica Pequeno tempo de integrao Detetores simples do sinal. Sistema tico de pequeno Partes mveis campo de visada Ampla capacidade de cobertura Mais susceptvel a distores geomtricas. perpendicular ao deslocamento da aeronave Possibilidade de alta resoluo espectral. Sistema tico com amplo Grande tempo de integrao campo de visada (mais pesado, para cada detetor mais sujeito a distores Grande fidelidade geomtrica ticas). perpendicularmente ao deslocamento da plataforma

Matriz Linear de Detetores (pushbroom)

3.6.3.DetetoresUm dos elementos crticos dos sistemas imageadores so os detetores. H dois tipos bsicos de detetores: os detetores trmicos e os detetores qunticos. Nos detetores trmicos, a energia radiante absorvida e convertida em energia calorfera. O aquecimento sofrido pelo detetor proporcional a energia absorvida, e provoca mudana na resistncia, no caso de piranmetros e bolmetros, ou de voltagem no caso de um termopar. Os detetores qunticos respondem diretamente ao nmero de ftons incidentes, embora tambm seja sensvel energia do fton. Existem diferentes tipos de detetores qunticos tais com os detetores fotovolticos, fotocondutores e fotoemissores. Um detetor fotovoltico consiste de uma clula em que duas substncias distintas encontram-se em contato. A luz incidente sobre a clula gera uma diferena

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de potencial eltrico entre as duas substncias e como conseqncia, gera uma corrente eltrica proporcional diferena de potencial. Os fotocondutores se baseiam na descoberta de que a condutividade de certos materiais aumenta com a incidncia de radiao eletromagntica. Como a condutividade aumenta proporcionalmente energia incidente, a corrente eltrica produzida pelo fotocondutor proporcional a energida detectada. Os fotoemissores, tambm chamados de detetores fotoeltricos, consistem de um tubo de vcuo contendo um eletrodo carregado positivamente (anodo) e um eletrodo carregado negativamente (catodo). Quando a luz incide sobre catodo os ftons, desalojam os eletrons da superfcie. Esses eletrons so conduzidos at o anodo gerando um corrente. A Figura 3.18 mostra uma relao de alguns detetores e suas faixas de atuao dentro do espectro eletromagntico.UV VisvelInfraverme lho proximo

Infravermelho mdio

Infravermelho termal

Infravermelho distante

Olho humano Filme pancromtico Filme infravermelho colorido RBV Tubo fotomultiplicador Fotodiodo de silcio Telureto de Mercrio-cadimio Antimoneto de ndio0,3 0,4 0,6 0,8 1,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 15 20 30

Comprimento de onda (m)

Fig. 3.18 Detetores e suas respectivas faixas de sensibilidade (Adaptado de Slater, 1980).

3.7 Sistemas sensores: RADAR 3.7.1Conceitos bsicosA palavra RADAR um acrnimo da expresso Radio Detection ad Ranging, (que poderia ser traduzido grosseiramente por deteco de ondas de radio e de distncias). Um RADAR executa trs funes bsicas: 1) ele transmite um pulso de microondas em direo a um alvo; 2) ele recebe a poro refletida do pulso transmitido aps este haver interagido com o alvo (a poro refletida recebe o nome de energia retro-espalhada); 3) ele registra a potncia, a variao temporal e o tempo de retorno do pulso retro-espalhado. A configurao bsica de um sistema RADAR pode ser observada na Figura 3.19.

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Fig. 3.19 Configurao bsica de um sistema RADAR O sinal retro-espalhado pelo alvo influenciado pelas caractersticas do pulso incidente (comprimento de onda, polarizao), pela geometria do sistema radar em relao superfcie terrestre, a geometria local, ou seja a geometria do pulso em relao ao alvo. O sistema RADAR transmite um pulso de microondas numa direo perpendicular ao deslocamento da plataforma. A direo de transmisso do pulso conhecida como range ou alcance. O sensor capaz de determinar as distncias relativas dos objetos da superfcie ao longo dessa direo a partir da anlise do tempo que a pulso emitido leva para viajar at o objeto e retornar ao sensor. O sinal proveniente de um objeto localizado mais prximo ao sensor levar menos tempo para retornar do que um objeto localizado mais distante. A imagem de RADAR construda na medida em que a plataforma avana e sucessivos pulsos so transmitidos e recebidos pela antena, como pode ser observado na Figura 3.20.

Fig. 3.20 Processo de imageamento atravs de um sistema RADAR Como anteriormente mencionado, os sistemas RADAR medem a distncia e a potncia recebida de pulsos emitidos por um antena. Esses pulsos de energia transmitidos pelas

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antenas de radar se caracterizam por ondas eletromagnticas com comprimentos que variam de 1m a 1mm (ou freqncias entre 0,3 GHz e 300 GHz). Do ponto de vista das atividades de sensoriamento remoto, o fato dos sistemas de RADAR operarem nesses comprimentos de onda, traz algumas vantagens: As microondas so passveis de penetrarem nvens, chuva, fumaa e neblina. Em comprimentos de ondas menores (6 cm) chuvas e nvens espessas podem afetar o sinal de radar; As microondas so sensveis a propriedades distintas daquelas que afetam a radiao na regio do visvel e infravermelho. As imagens de radar apresentam informaes que so qualitativamente e quantitativamente diferentes daquelas registradas em imagens pticas, sendo portanto, complementares quelas. Ao contrrio dos sistemas pticos, os sensores de microondas operam em bandas especficas para as quais foram associadas letras. As bandas em uso atualmente encontram-se resumidas na Tabela 3.3. Tabela 3.3 Bandas de operao de sistemas RADAR e suas aplicaes (Fonte:RADARSAT, 1997).Banda X C S L P Comprimento de onda (cm) 2,4-3,8 3,8-7,5 7,5-15,0 15,0-30,0 75,0-133,0 Freqncia (GHz) 8,0-12,5 4,0-8,0 2,0-4,0 1,0-2,0 0,225-0,400 Principal Aplicao Reconhecimento militar, reconhecimeno de terreno Monitoramento de gelo e aplicaes oceanogrficas. Reconhecimento de terreno Mapeamento de cobertura vegetal Mapeamento de cobertura vegetal

3.7.2 Geometria de imageamento RADARA geometria de imageamento, ou geometria entre o sensor SAR e a superfcie pode ser descrita pelos seguintes parmetros ilustrados na Figura 3.21.

Fig. 3.21 Geometria de imageamento RADAR. (Adaptado de RADARSAT, 1997).35

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Altura: representa a distncia vertical entre a plataforma e um ponto da superfcie terrestre imediatamente abaixo dela. A altura nominal dos satlites de sensoriamento remoto se refere altura acima do elipside de referncia que representa o nvel mdio do mar. Nadir: representa o ponto imediatamente abaixo da plataforma. Azimute: representa a direo no terreno paralela ao movimento do satlite. Vetores de range(ou alcance): representam vetores que conectam o radar aos elementos do terreno correspondentes a cada medida de distncia a cada instante em que o pulso de microondas transmitido. Distncia inclinada (slant range): representa a distncia do sensor ao alvo ao longo da direo de range (ou distncia perpendicular ao deslocamento da plataforma), tambm conhecida por distncia percebida pelo RADAR) Distncia no terreno (ground range): representa a distncia inclinada projetada sobre a superfcie terrestre, tambm conhecida por distncia real ou distncia geogrfica. Near range (Alcance Prximo): regio mais prxima ao ponto nadir. Far range (Alcance Distante): regio mais distante do ponto nadir. Largura da Faixa (swath width): representa a largura da faixa imageada na direo perpendicular ao deslocamento da plataforma. Comprimento da Faixa (swath length): representa a distncia imageada na direo azimutal. ngulo de iluminao: representa o ngulo entre o vetor normal a Terra e o vetor de range medido na posio do RADAR. Este ngulo determina a distribuio da iluminao do radar atravs da faixa imageada. A medida que a altura do radar aumenta, o ngulo de iluminao correspondente a largura da faixa (range) diminui. ngulo de incidncia: representa o ngulo entre os vetores de range e vertical local.

3.7.3 Tipos de sistemas RADARExistem basicamente dois tipos de sistemas RADAR. O mais antigo, e j fora de funcionamento o Radar de Abertura Real. Os radares de abertura real so configurados de tal modo que a resoluo espacial na direo azimutal seja proporcional distncia entre o sensor e a superfcie. A largura do feixe da antena (b) determina a resoluo espacial na direo azimutal. Assim sendo o tamanho do pixel varia em tamanho do near range para o far range. Nos sistemas de abertura real a resoluo diminui com a diminuio da distncia do pulso antena. A Figura 3.22 ilustra o efeito da distncia em range sobre a resoluo azimutal nos sistemas de abertura real.

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ngulo de depresso da antena

GD1 GD2

Fig. 3.22 Dependncia da resoluo espacial em azimute da largura do feixe. A largura do feixe produzido pela antena () determina a resoluo espacial na direo Azimutal (Sra). Esta resoluo calculada a partir da equao 3.7: Sra= GD ...............................................................................................(3.7) Onde: GD= Distncia em range = ngulo da antena O grande problema dos radares de abertura real o de que o ngulo dependia do tamanho fsico da antena, conforme pode ser deduzido pela equao 3.8: = .................................................................................(3.8) L onde: = ngulo de abertura da antena = comprimento de onda da radiao transmitida pela antena. AL= comprimento da antena Como se pode deduzir da equao 3.8, para haver uma reduo do ngulo de abertura da antena, necessrio aumentar o comprimento da antena, o que fisicamente impossvel a partir de uma certa dimenso. A resoluo espacial em range depende da durao do pulso transmitido. Esta resoluo representa a metade da durao do pulso. Se dois campos esto distanciados entre si na direo de range por uma distncia menor que a metade da durao do pulso, o primeiro pulso transmitido pela antena ter alcanado o campo mais distante e estar retornando ao mesmo tempo que o pulso emitido pela antena e refletido pelo alvo estar retornando tambm. Com isso, os dois sinais se misturaro e no ser possvel resolver os dois campos como alvos distintos. A resoluo espacial na direo de range dada por (SRr) conforme equao 3.9:

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ct SRr = ------ ..........................................................................................(3.9) 2 cos onde = o ngulo de depresso da antena t= o comprimento do pulso c= velocidade do pulso de microondas, que a velocidade da luz. Com o desenvolvimento tecnolgico o sistema RAR (Radar de Abertura Real) foi substitudo plos modernos SAR (Sinthetic Aperture Radar SAR) ou Radares de Abertura Sinttica. O SAR representa um modo engenhoso de se superar o problema do tamanho fsico da antena a partir da sntese de uma antena virtual a partir do registro acumulado dos sinais de retorno de cada objeto da antena durante o perodo em que ela se desloca sobre uma dada regio do terreno. Uma vez que o pulso tenha passado sobre um ponto do terreno, toda a informao de fase sobre aquele ponto armazenada em uma matriz bidimensional (range e azimute). Todas as histrias de fase de todos os pontos da imagem so combinadas numa srie temporal que forma o dado sinttico. Atravs de um processamento complexo esta assinatura de fase de cada ponto tranformada em informao de azimute e range. Mais informaes sobre o processamento de sinal de um radar de abertura sinttica pode ser encontrado em Oliver e Quegan (1998). Atualmente, os sistemas de RADAR possuem a chamada antena de abertura sinttica o que permite que estes sistemas possam ser colocados em plataformas orbitais produzindo resolues espaciais da ordem de poucos metros.

3.7.4 Interaes entre a radiao de micro-ondas e a superfcie terrestreEm geral, quanto mais organizado o processo de transformao (em oposio a aleatrio), mais coerente o espectro de radiao gerado (coerente no sentido de pequena faixa de variao de freqncias). Assim sendo, o espectro de emisso do Sol, resultante de reaes nucleares, muito mais complexo do que o espectro de emisso de uma antena que produz um pulso de microondas (Elachi, 1987). A energia eletromagntica neste espectro de freqncia usualmente gerada por correntes alternadas impostas sobre materiais metlicos (antenas, por exemplo). A corrente alternada gera um campo eltrico e um campo magntico que se propaga velocidade da luz (Elachi, 1987). Assim como em outras regies do espectro eletromagntico, a radiao de microondas apresenta uma srie de caractersticas especficas de interao com a matria que a diferencia de outras regies do espectro. Dentre as caractersticas da radiao de micro-ondas destacam-se: Sensibilidade estrutura macroscpica dos materiais Sensibilidade a propriedades eltricas dos materiais

As interaes entre a radiao de micro-ondas e os objetos da superfcie terrestre so afetadas por dois grandes conjuntos de variveis:

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Variveis ligadas ao sistema radar tais como: comprimento de onda, ngulo de incidncia do pulso de micro-ondas, direo de imageamento, polarizao, resoluo. umidade, etc. Variveis ligadas ao objeto imageado tais como rugosidade, dimenso,

3.7.5 Variveis do sistema Comprimento de Onda O comprimento de onda uma varivel importante por qu controla o coeficiente de retro-espalhamento e a profundidade de penetrao da radiao nos objetos da superfcie. A constante dieltrica dos objetos varia com a freqncia da radiao incidente, a qual afeta o coeficiente de retro-espalhamento. Para uma superfcie com rugosidade constante, h um aumento do espalhamento segundo quarta potncia da frequncia (Elachi, 1987). A profundidade de penetrao da radiao de microondas tambm afetada pela frequncia. Para a maioria dos materiais da superfcie terrestre a profundidade de penetrao varia linearmente com o comprimento de onda. Assim sendo, a profundidade de penetrao da radiao na faixa de 20 cm 10 vezes maior do que de radiao na faixa de 2 cm. Assim sendo, a profundidade de penetrao da banda L 10 vezes maior do que a da banda X. Isto explica tambm por qu a banda L menos afetada pela atmosfera do que a banda X. ngulo de Incidncia

O ngulo de incidncia pode ser definido como o ngulo formado entre o vetor de range e a direo vertical local. Como a faixa imageada pelo radar recobre uma ampla regio do terreno, suas imagens esto sujeitas a diferenas de retro-espalhamento em funo da distncia (e portanto do ngulo) entre a plataforma de aquisio e o objeto imageado. A regio mais prxima antena (near-range) tende a produzir valores mais elevados de retroespalhamento do que a regio distante da antena (far-range) em decorrncia das modificaes no ngulo de incidncia local. Direo de Imageamento

A direo de imageamento se refere orientao geomtrica do feixe transmitido em relao a feies lineares do terreno como culturas agrcolas, acidentes topogrficos e lineamentos geolgicos. Quando a direo de imageamento perpendicular feio linear h um aumento da interao entre ela e a frente de onda. Com isto, h um aumento no coeficiente de retro-espalhamento. Ao contrrio, quando a feio linear paralela feio do terreno, h menor interao entre ela e a radiao incidente, havendo consequentemente uma reduo no coeficiente de retro-espalhamento. Polarizao

Para um sistema radar, a polarizao se refere orientao do campo eltrico em relao a um certo plano de referncia. A maioria das antenas de radar so construdas de modo a transmitirem e receberem ondas polarizadas linearmente, seja horizontalmente ou seja verticalmente. Uma onda transmitida verticalmente polarizada quando a antena orientada de modo que o campo eltrico ocupe o plano definido pelo vetor perpendicular superfcie da Terra (geide) e o vetor de range. A onda transmitida horizontalmente polarizada quando orientada perpendicularmente quele plano. Quando a onda transmitida ela pode ser despolarizada ao interagir com a superfcie, ou pode manter o seu estado de polarizao. O grau de despolarizao da onda

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depende das caractersticas dos objetos da superfcie e pode ser utilizado para sua discriminao. Para aproveitar esta propriedade dos alvos, as antenas de radar so tambm construdas de modo a receber a radiao de retorno segundo um dado plano de polarizao. Assim sendo, os sistemas que emitem e recebem onda polarizada no plano vertical so conhecidos como sistemas de polarizao VV (este o caso do ERS-1 e 2), os sistemas que emitem e recebem