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Conceitos Bsicos de Sensoriamento Remoto

Divino Figueiredo

divino.figueiredo@conab.gov.br

Setembro de 2005

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ndice

PREFCIO .......................................................................................................................................1 1. HISTRICO ......................................................................................................................................................2

2. PRINCPIOS FSICOS.....................................................................................................................................5

3. COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS ......................................................................................7

4. PROCESSO DE IMAGEAMENTO.................................................................................................................9

5. SENSORES ......................................................................................................................................................11

6. IMAGEM DIGITAL .......................................................................................................................................12

7. PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS...........................................................................................16

8. APLICAES .................................................................................................................................................23

9. BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................................25

10. ALGUNS SITES RELACIONADOS AO SR ..............................................................................................25

11. TPICOS GERAIS RELACIONADOS AO SR.........................................................................................25

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PREFCIO

A presente apostila tem por finalidade servir como uma primeira fonte de consulta ao leitor que pretende iniciar estudos ou adquirir uma compreenso bsica da tecnologia do sensoriamento remoto.

No captulo 1 apresentado um breve histrico da origem e das etapas evolutivas do SR. O captulo 2 mostra alguns dos principais princpios fsicos que compem os fundamentos do SR. O captulo 3 descreve o processo pelo qual as imagens, da superfcie terrestre, so obtidas a partir de aeronaves e de satlites. O captulo 4 discorre sobre os sistemas sensores instalados nas aeronaves e satlites e que constituem o instrumento principal na captao das imagens. O captulo 5 define e apresenta as principais caractersticas de imagens digitais. O captulo 6 relata a interao dos alvos terrestres com a luz solar incidente sobre os mesmos, definindo o que se chama de assinatura espectral dos alvos. O captulo 7 so apresentados os principais tipos de tratamento digital das imagens. No captulo 8 so relatados casos de aplicaes reais do SR e, no captulo 9 apresenta-se as tendncias e evoluo do SR. Lembramos que nos captulos preliminares podem constar alguns novos termos ou expresses desconhecidas pelo leitor, mas que ao longo da apostila sero todos explicados.

Para se ter uma idia preliminar e geral do nosso assunto apresentamos algumas definies do sensoriamento remoto extrada de alguns livros:

Utilizao de sensores para a aquisio de informaes sobre objetos ou fenmenos sem que haja contato direto entre eles. Evlyn M. L. de Moraes Novo

Forma de se obter informaes de um objeto ou alvo, sem que haja contato fsico com o mesmo. Roberto Rosa

Processo de medio de propriedades de objetos da superfcie terrestre usando dados adquiridos de aeronaves e satlites. Robert A. Schowengerdt

"Processo de captao de informaes dos fenmenos e feies terrestres, por meio de sensores, sem contato direto com os mesmos, associado a metodologias e tcnicas de armazenamento, tratamento e anlise destas informaes." O autor

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1. HISTRICO

O sensoriamento remoto (SR) teve incio com a inveno da cmara fotogrfica que foi o primeiro instrumento utilizado e que, at os dias atuais, so ainda utilizadas para tomada de fotos areas. A cmara russa de filme pancromtico KVR-1000, por exemplo, obtm fotografias a partir de satlites com uma resoluo espacial de 2 a 3 m.

As aplicaes militares quase sempre estiveram frente no uso de novas tecnologias, e no SR no foi diferente. Relata-se que uma das primeiras aplicaes do SR foi para uso militar. Para isto foi desenvolvida, no sculo passado, uma leve cmara fotogrfica com disparador automtico e ajustvel. Essas cmaras, carregadas com pequenos rolos de filmes, eram fixadas ao peito de pombos-correio (Fig. 1.1), que eram levados para locais estrategicamente escolhidos de modo que, ao se dirigirem para o local de suas origens, sobrevoavam posies inimigas. Durante o percurso, as cmaras, previamente ajustadas, tomavam fotos da rea ocupada pelo inimigo. Vrios pombos eram abatidos a tiros pelo inimigo, mas boa parte deles conseguia chegar ao destino. As fotos obtidas consistiam em valioso material informativo, para o reconhecimento da posio e infra-estrutura de foras militares inimigas. Assim teve incio uma das primeiras aplicaes do SR.

Fig. 1.1 - Pombo com cmara fotogrfica Fig. 1.2 - Satlite Landsat 1

No processo evolutivo das aplicaes militares, os pombos foram substitudos por bales no tripulados que, presos por cabos, eram suspenso at a uma altura suficiente para tomadas de fotos das posies inimigas por meio de vrias cmaras convenientemente fixadas ao balo. Aps a tomada das fotos o balo era puxado de volta e as fotos reveladas eram utilizadas nas tarefas de reconhecimento.

Posteriormente, avies foram utilizados como veculos para o transporte das cmaras. Na dcada de 60 surgiram os avies norte americanos de espionagem denominados U2. Estes avies, ainda hoje utilizados em verses mais modernas, voam a uma altitude acima de 20.000 m o que dificulta o seu abate por foras inimigas. Conduzido por apenas um piloto eles so totalmente recheados por sensores, cmaras e uma grande variedade de equipamentos. Estes avies tm sido utilizados tambm para uso civil. Em 1995, um deles foi utilizado pelos Estados Unidos para monitoramento de queimadas e mapeamentos diversos, nas regies Norte e Centro-Oeste do Brasil.

A grande revoluo do SR aconteceu no incio da dcada de 70, com o lanamento dos satlites de recursos naturais terrestres, (Fig. 1.2). Os satlites, embora demandem grandes investimentos e muita energia nos seus lanamentos, orbitam em torno da Terra por vrios anos. Durante sua operao em rbita o consumo de energia mnimo, pois so mantidos a grandes altitudes onde no existe resistncia do ar e a pequena fora gravitacional terrestre equilibrada

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pela fora centrfuga do movimento orbital do satlite. Estes aparatos espaciais executam um processo contnuo de tomadas de imagens da superfcie terrestre coletadas 24 h/dia, durante toda a vida til dos satlites. Nesta apostila usaremos o termo imagem no lugar de foto de satlite, que tm o mesmo significado, embora o primeiro seja mais tecnicamente utilizado.

A evoluo de quatro segmentos tecnolgicos principais determinou o processo evolutivo do SR por satlites: a) Sensores so os instrumentos que compem o sistema de captao de dados e imagens, cuja evoluo tem contribudo para a coleta de imagens de melhor qualidade e de maior poder de definio. b) Sistema de telemetria consiste no sistema de transmisso de dados e imagens dos satlites para estaes terrestres, e tem evoludo no sentido de aumentar a capacidade de transmisso dos grandes volumes de dados, que constituem as imagens. c) Sistemas de processamento consistem dos equipamentos computacionais e softwares destinados ao armazenamento e processamento dos dados do SR. A evoluo deste segmento tem incrementado a capacidade de manuteno de acervos e as potencialidades do tratamento digital das imagens. d) Lanadores consistem das bases de lanamento e foguetes que transportam e colocam em rbita, os satlites. A evoluo deste segmento tem permitido colocar, em rbitas terrestres, satlites mais pesados, com maior quantidade de instrumentos, e consequentemente, com mais recursos tecnolgicos.

Na verdade a evoluo do SR fruto de um esforo multidiciplinar que envolveu e envolve avanos na fsica, na fsico-qumica, na qumica, nas biocincias e geocincias, na computao, na mecnica, etc...

Nos dias atuais o SR quase que totalmente alimentado por imagens obtidas por meio da tecnologia dos satlites orbitais.

Existem vrias sries de satlites de SR em operao, entre eles podemos citar: LANDSAT, SPOT, CBERS, IKONOS, QUICKBIRD e NOAA. Os satlites das cinco primeiras sries so destinados ao monitoramento e levantamento dos recursos naturais terrestres, enquanto que os satlites NOAA fazem parte dos satlites meteorolgicos, destinados principalmente aos estudos climticos e atmosfricos, mas so tambm utilizados no SR.

A seguir, uma descrio resumida de algumas destas sries de satlites. O sistema LANDSAT (LAND SATellite) foi o primeiro a obter de forma sistemtica,

imagens terrestres sinpticas de mdia resoluo. Desenvolvida pela NASA a srie de satlites LANDSAT iniciou sua operao em 1972. Os primeiros satlites eram equipados com os sensores Multispectral Scanner System (MSS). Esses sensores j tinham a capacidade de coletar imagens separadas em bandas espectrais em formato digital, cobrindo a cada imagem uma rea de 185km X 185km, com repetio a cada 18 dias. A srie passou por inmeras inovaes, especialmente os sistemas sensores que atualmente obtm imagens em 7 bandas espectrais. O ltimo da srie, o LANDSAT 7, equipado com os sensores ETM (Enhanced Tematic Mapper) e PAN (Pancromtico). O termo Pancromtico significa uma banda mais larga que incorpora as faixas espectrais mais estreitas, por esta razo a quantidade de energia da banda Pancromtica chega ao satlite com maior intensidade e isto possibilita ao sensor uma definio melhor. O Pancromtico do LANDSAT chega a uma resoluo espacial de 15 m. Os satlites desta srie deslocam a uma altitude de 705 km, em rbita geocntrica circular, quase polar e heliossncrona, isto , cruzam um mesmo paralelo terrestre sempre no mesmo horrio. No perodo diurno o Landsat cruza o equador s 9:50 h. Ao longo da histria do SR at o ano de 2004, a srie LANDSAT foi a que mais produziu e forneceu imagens para todos tipos de estudos e aplicaes.

O sistema SPOT (Systeme Probatoire dObservation de la Terre) foi planejado pelo governo francs em 1978, com a participao da Sucia e Blgica, e gerenciado pelo Centro Nacional de Estudos Espaciais (CNES), entidade responsvel pelo desenvolvimento do programa e operao dos satlites. O SPOT-1 foi lanado em fevereiro de 1986, o SPOT-2 em 1989 e o SPOT-3 em 1993, todos com caractersticas semelhantes. O SPOT-4, lanado em 1998, incorpora mais um canal no modo multi-spectral (XS) e um novo sensor para monitoramento da vegetao. As caractersticas bsicas do sistema SPOT so: Altitude 832 km; velocidade 13,3 km / s; rea coberta por cena 60km

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X 60km; peso 1870 kg; dimenses 2m X 2m X 4,5m; taxa de transmisso de dados 50 Mbits / s; passagem diurna em rbita descendente s 10:30 h. O sistema sensor do SPOT, HRVIR (High Resolution Visible and Infra-Red) capta imagens em 4 faixas espectrais (XS1, XS2, XS3 e XS4) com resoluo de 20m e uma banda Pancromtica (P) com resoluo de 10m. O sensor de vegetao tem resoluo de 1.165m. Uma caracterstica interessante do SPOT possibilitar o imageamento fora do nadir (o termo nadir utilizado para definir a perpendicular superfcie terrestre a partir do satlite). O instrumento sensor pode ser direcionado para os dois lados (leste e oeste), de 0 a 27, permitindo a obteno de imagens dentro de uma faixa de 950 Km de largura, centrada no plano da rbita do satlite. Esta tcnica, conhecida como visada lateral, permite uma rpida capacidade de revista em reas especficas. Prximo ao equador uma mesma rea pode ser observada, em mdia, a cada 3,7 dias. Este recurso, por demandar tarefas operacionais adicionais, tem custo relativamente alto.

Os satlites meteorolgicos da srie NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) orbita a uma altitude de 840 Km e coletam dados atmosfricos globais, especialmente sobre as regies polares e so tambm heliossncronos. Operam em rbita circular, quase polar cujo plano orbital faz um ngulo de aproximadamente 9 com o eixo terrestre e perodo orbital em torno de 102 minutos. Existem sempre 2 satlites NOAA em operao que atuam de forma complementar, um passa no incio da madrugada e no incio da tarde, enquanto o outro passa no incio da manh e no incio da noite. Portanto os imageamentos so realizados a cada seis horas. Em 1999 estavam em operao os satlites NOAA-14 e NOAA-15. O sistema sensor de imageamento do NOAA o AVHRR (Advancing Very High Resolution Radiometer). O AVHRR e demais sensores do NOAA destinam-se principalmente a estudos globais relacionados a: cobertura vegetal; discriminao e distribuio de nuvens; separao terra-gua; avaliao da extenso da cobertura de neve e gelo; determinao das temperaturas superficiais dos mares e oceanos; levantamento do perfil vertical da temperatura da atmosfera, contedo de vapor de gua na atmosfera; contedo de oznio; medio do fluxo de partculas provindas do Sol e incidentes na superfcie terrestre.

Resumo dos principais eventos relacionados ao processo evolutivo do SR: 1672 - Desenvolvimento da teoria da luz;

- Newton : decomposio da luz branca; 1822 - Utilizao de uma cmara primitiva;

- Niepa: gerao da primeira imagem fotogrfica fazendo uso de uma cmara primitiva e papel quimicamente sensibilizado luz.

1939 - Desenvolvimento de equipamentos pticos; - Pesquisas de novas substncias fotosensveis;

1859 - Utilizao de cmaras fotogrficas a bordo de bales; 1903 - Utilizao de fotografias areas para fins cartogrficos; 1909 - Tomadas de fotografias areas por avies; 1930 - Coberturas sistemticas do territrio para fins de levantamento de recursos naturais; 1940 - Desenvolvimento de equipamentos para radiometria sensveis radiao

infravermelha; - Utilizao de filmes infra-vermelho na II Guerra, para deteco de camuflagem;

1944 - Primeiros experimentos para utilizar cmaras multiespectrais; 1954 - Desenvolvimento de radimetros de microondas;

- Testes iniciais visando a construo de radares de visada lateral; 1961 - Desenvolvimento de processamentos pticos e digitais;

- Primeiros radares de visada lateral; 1962 - Desenvolvimento de veculos espaciais tripulados e no tripulados;

- Lanamentos de satlites meteorolgicos;

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- Primeira fotografia orbital MA-4-Mercury; 1972 - Fotografias orbitais tiradas pelo programa Gemini;

- Surgem outros programas espaciais envolvendo satlite de recursos naturais: SEASAT, SPOT, ERS, LANDSAT;

1983 - Lanamento do Landsat 4, SIR-A, SIR-B, MOMS; 1991 - Lanamento de ERS-1.

2. PRINCPIOS FSICOS

2.1. Ondas Eletromagnticas Experincias de Newton (1672) constataram que um raio luminoso (luz branca), ao

atravessar um prisma, desdobrava-se num feixe colorido - um espectro de cores. Desde ento os cientistas foram ampliando os seus estudos a respeito de to fascinante matria. Verificaram que a luz branca era uma sntese de diferentes tipos de luz, uma espcie de vibrao composta, basicamente, de muitas vibraes diferentes. Prosseguindo, descobriram ainda que cada cor decomposta no espectro correspondia a uma temperatura diferente, e que a luz vermelha incidindo sobre um corpo, aquecia-o mais do que a violeta. Alm do vermelho visvel, existem radiaes invisveis para os olhos, que passaram a ser ondas, raios ou ainda radiaes infravermelhas. Logo depois, uma experincia de Titter revelou outro tipo de radiao: a ultra-violeta. Sempre avanando em seus experimentos os cientistas conseguiram provar que a onda de luz era uma onda eletromagntica, mostrando que a luz visvel apenas uma das muitas diferentes espcies de ondas eletromagnticas. As ondas eletromagnticas, que aqui chamaremos de radiao eletromagntica (REM), podem ser consideradas como termmetros-mensageiros do SR. Elas no apenas captam as informaes pertinentes s principais caractersticas das feies terrestres, como tambm as levam at os satlites. A radiao eletromagntica pode ser definida como sendo uma propagao de energia, por meio de variao temporal dos campos eltrico e magntico, da onda portadora. A completa faixa de comprimentos de onda e de freqncia da REM chamada de espectro eletromagntico (Fig. 2.1 e 2.2). Este espectro varia desde as radiaes gama com comprimentos de onda da ordem de 10-6

m, at as ondas de rdio da ordem de 100 m.

10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10 1021 103 104 105 106 107 108

Azul VerdeVerm

VisvelComprimentos ondasm

0,4 0,5 0,6 0,7

Comprimento ondas m

Raios Raios-X

Ultravioleta

Infravermprximomdio

Infravermtermal

Microondas

TV/Radio

Fig. 2.1 - Espectro eletromagntico I

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Fig. 2.2 - Espectro eletromagntico II

O SR passivo, que ser definido mais adiante, utiliza apenas pequenas faixas deste espectro que consiste da luz visvel, e do infravermelho, ambas provenientes do sol, e da faixa de ondas termais emitidas pela Terra. A luz visvel corresponde as faixas de comprimento de onda entre 0,4 m e 0,7 m, o infravermelho a faixa de 1m a 2,5 m e o termal entre 2,5 m a 13 m. A radiao proveniente do sol que incide sobre a superfcie da terra denominada de irradincia, e a radiao que deixa a superfcie terrestre denominada de radincia.

O SR ativo, que ser definido mais adiante, utiliza ondas de radar no processo de imageamento. Estes sistemas operam com microondas nas faixas de 0,8 cm a 1,1 cm, de 2,4 cm a 3,8 cm e de 15 cm a 30 cm.

Os princpios fsicos do SR esto intimamente relacionados REM. Ela um elo indispensvel no processo de obteno dos dados do SR. A REM o veculo que leva as informaes das caractersticas das feies terrestres at os satlites. Sem ela o SR simplesmente no existiria.

2.2. Interao REM X matria O comportamento espectral, (tambm chamado de assinatura espectral), dos alvos est

relacionado ao processo de interao entre os objetos e feies terrestres com a REM incidente. Este processo depende da estrutura atmica e molecular de cada alvo. Os eltrons dos materiais esto distribudos em diferentes nveis energticos, em torno dos ncleos de seus tomos. Estes nveis eletrnicos podem absorver maior ou menor quantidade da energia da REM. Esta absoro implica na diminuio da quantidade de energia da REM refletida pela matria, em certas faixas do espectro eletromagntico, faixas estas denominadas bandas de absoro.

A intensidade, largura e localizao das bandas de absoro dependem do material do alvo e resultam de trs processos: a) Rotacional Se verifica a nvel molecular e onde ocorre a absoro da banda localizada nas faixas do infravermelho distante e microondas. b) Vibracional tambm

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acontece no nvel molecular e responsvel pelas bandas de absoro situada entre 1,0 m e 2,5 m. c) Eletrnico ocorre a nvel atmico que subdividido em dois tipos: c.1) transferncia de carga, responsvel pelas bandas de absoro com comprimentos de onda inferiores a 0,4 m, principalmente nas regies do ultravioleta; c.2) efeito do campo cristalino, responsvel pelas bandas de absoro situadas nas faixas do visvel e do infravermelho. As absores decorrentes do processo vibracional so muito mais incisivas e estreitas, enquanto as absores do processo eletrnico so mais suaves e largas.

3. COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS

A radiao solar incidente na superfcie terrestre interage de modo diferente com cada tipo de alvo. Esta diferena determinada principalmente pelas diferentes composies fsico-qumicas dos objetos ou feies terrestres. Estes fatores fazem com que cada alvo terrestre tenha sua prpria assinatura espectral. Em outras palavras, cada alvo absorve ou reflete de modo diferente cada uma das faixas do espectro da luz incidente (Fig. 3.1). Outros fatores que tambm influenciam no processo de interao dos alvos so: textura, densidade e posio relativa das feies em relao ao ngulo de incidncia solar e geometria de imageamento. Em decorrncia desta interao, a radiao que deixa os alvos, leva para os satlites a assinatura espectral dos mesmos. Os sistemas sensores instalados nos satlites so sensveis a estas diferenas, que as registram em forma de imagens. importante mencionar que tanto a irradincia (REM que chega aos alvos) como a radincia (REM que deixa os alvos) so fortemente afetadas em suas trajetrias pelos componentes atmosfricos. reas nubladas, por exemplo, so impossveis de serem imageadas por meio da luz solar.

Fig. 3.1 - Grfico comprimento de onda X % de reflectncia de alguns alvos

Nos minerais e rochas, os elementos e substncias mais importantes que determinam as bandas de absoro so os ions ferroso e frrico, gua e hidroxila.

A assinatura espectral dos solos funo principalmente da porcentagem de matria orgnica, granulometria, composio mineral, umidade e capacidade de troca catinica. O aumento do contedo de matria orgnica no solo provoca aumento na absoro espectral, na faixa do

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espectro reflexivo (0,4 m a 2,5 m). Quanto a granulometria, o aumento da concentrao de minerais flsicos (textura de granulao muito fina) e a conseqente diminuio do tamanho das partculas incrementa a reflectncia atenuando as bandas de absoro. O contrrio se verifica na medida em que aumenta a concentrao de minerais mficos (rochas ou minerais ricos em ferro e magnsio). Os solos midos refletem menos que os solos secos no espectro reflexivo. O aumento da capacidade de troca catinica tambm aumentam a absoro da REM.

A vegetao tem, na regio do visvel, um pico de absoro decorrente de forte absoro dos pigmentos do grupo da clorofila (Fig. 3.2). Existem duas bandas de absoro distintas. Uma delas situada prximo a 0,48 m devido a presena de carotenos. A outra prxima a 0,68 m, relacionada ao processo da fotossntese. Entre estes dois pontos de absoro existe um pico de reflectncia em torno de 0,5 m, correspondente regio da cor verde do espectro visvel, o que explica a colorao verde das plantas. Outra caracterstica marcante do comportamento espectral da vegetao a existncia de uma regio de alta reflectncia na regio entre 0,7 m a 1,3 m que est associada estrutura celular interna da folha. Esta caracterstica decorre do comportamento natural da vegetao, visando manter o equilbrio no balano de energia no interior da planta, evitando um superaquecimento e a conseqente destruio da clorofila. Dois outros picos de absoro ocorrem nas regies prximas a 1,4 m e 1,9 m devido a presena de gua na folha. Embora as caractersticas anteriores sejam fundamentais para o estudo da vegetao, elas dizem respeito a uma folha isolada, portanto no podem ser consideradas com tal preciso, para uma cobertura vegetal. O comportamento espectral de uma cobertura vegetal tem algumas diferenas quando comparadas a uma folha isolada, devido a influncia de fatores diversos como parcelas de solo no cobertas pelas plantas, ngulo de iluminao solar e orientao das folhas. Na verdade a medida da reflectncia espectral da vegetao um pouco mais complexa, pois ela afetada por diversos fatores, tais como: condies atmosfricas, caractersticas das parcelas de solo, ndice de rea foliar (cobertura vegetal por unidade de rea), estado fenolgico (estado de desenvolvimento da planta), biomassa (densidade de massa verde), folha (forma, posio, contedo de gua, pigmentao, estrutura interna, etc.), geometria (de iluminao, de imageamento, sol / superfcie / satlite).

Fig. 3.2 - Estrutura foliar

gua limpa absorve mais a luz que gua suja. Ao longo do espectro, a gua vai diminuindo a reflectncia a medida em que se desloca para comprimentos de ondas maiores. Na regio do visvel, mais especificamente nas faixas do azul e verde, observa-se significativa reflectncia da gua, diminuindo-se gradualmente na direo do infravermelho.

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4. PROCESSO DE IMAGEAMENTO

4.1. A geometria orbital Os satlites no geo-estacionrios, acompanham a Terra no movimento de translao, mas

no no movimento de rotao. A Terra desliza sob o satlite no movimento de rotao. O movimento do satlite de polo a polo, combinado com o movimento de rotao terrestre em torno de seu eixo, faz com que os satlites de SR cubram praticamente todas as regies do Globo. como descascar uma laranja, mas em faixas no contguas (Fig. 4.1). Enquanto o satlite realiza uma volta completa em torno da Terra (aproximadamente 100 a 103 minutos para os satlites LANDSAT e NOAA), a Terra gira, sob o satlite, um arco ao longo do equador, de aproximadamente 3000 km. Portanto, rbitas sucessivas destes satlites, tm uma distncia de aproximadamente 3000 km, uma da outra. As faixas imageadas pelos satlites tm largura inferior a estes 3000 km, (no caso do LANDSAT a faixa imageada de 185 km), por isto, entre passagens sucessivas do satlite, uma grande faixa fica sem imageamento. As passagens em dias sucessivos no so coincidentes, assim, o satlite passa a imagear outras faixas, e s voltam a revisitar uma mesma rea aps um certo perodo de tempo. O LANDSAT demora 16 dias para voltar a uma mesma faixa, o SPOT demora 26 dias, o NOAA cobre uma mesma faixa quase todos os dias, devido a sua larga faixa de imageamento. Com perodos orbitais de aproximadamente 100 a 103 minutos, no caso do LANDSAT, do SPOT e do NOAA, os satlites realizam 14 voltas inteiras mais uma frao de volta, em torno da Terra, em um perodo de 24 horas. Isto significa que na rbita de nmero 15, o satlite passa um pouco depois da primeira rbita do dia anterior. Esta defasagem das rbitas faz com que o satlite capte imagem de todo o globo terrestre.

h

R

v

L

D

Fig. 4.1 - Faixas imageadas

4.2. Estaes de recepo Outro importante componente no processo de imageamento no est no cu. So as estaes

terrestres de recepo de imagens. Elas tm por finalidade receber e armazenar as imagens transmitidas a partir dos satlites. So estrategicamente instaladas em locais adequados regio que se pretende obter imagens (Fig. 4.2).

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Fig. 4.2 Parte das estaes de recepo de imagens LANDSAT (no constam da figura: Argentina, Chile, Kenya, Monglia e outras)

A estao brasileira para recepo de imagens CBERS, LANDSAT e SPOT, cujo principal objetivo cobrir o territrio nacional, est instalada em Cuiab MT (Fig. 4.3). De l a estao cobre no s o Brasil, mas tambm boa parte da Amrica do Sul.

~3000km

Fig. 4.3 - Raio de alcance no rastreamento

Estas estaes so constitudas, basicamente, de um bom computador, com software especfico, uma antena parablica direcionvel, cabos de conexo da antena ao computador e mesa de controle e operao. O sistema da estao dispe, de forma antecipada, das informaes de horrio e posio de rbita. Com base nestas informaes a estao posiciona previamente a parablica para o ponto no horizonte onde o satlite surgir. Feita a comunicao o sistema ajusta o sincronismo do movimento e rastreia o satlite de horizonte a horizonte. Este percurso realizado em perodos de aproximadamente 10 a 15 minutos, para os satlites com tempo de rbita em torno de 100 minutos. A melhor recepo dos sinais tem incio a partir de uma elevao de 5 acima do horizonte. Durante o rastreamento a estao capta, em tempo real, as imagens transmitidas pelo satlite e as armazena no computador. As imagens so grandes arquivos digitais, por isto os dispositivos de armazenamento devem ter grandes capacidades. Os satlites quase sempre tm, a bordo, dispositivos de armazenamento temporrio de imagens, que so posteriormente transmitidas

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para estaes de recepo especficas. Este recurso possibilita obter imagens de qualquer local do Globo e captur-las minutos mais tarde em estaes de interesse, mesmo que distante das reas imageadas.

A estao no rastreia apenas satlites que passam sobre a antena. O rastreio tambm realizado lateralmente. O alcance da antena, para visualizao do satlite, depende da topografia de onde a estao esteja instalada. Para regies altas e planas, as estaes chegam a alcanar os satlites horizontalmente, em um circulo de aproximadamente 3.500 km a partir da estao, (Fig. 4.3). Obviamente, rastreios laterais tm tempo de durao menor, consequentemente menores reas de imageamento so cobertas nestas passagens dos satlites.

5. SENSORES

Os sensores so as mquinas fotogrficas dos satlites (Fig. 5.1). Tm por finalidade captar a REM proveniente da superfcie terrestre, e transformar a energia conduzida pela onda, em pulso eletrnico ou valor digital proporcional intensidade desta energia. Segundo a fonte da onda eletromagntica os sensores so:

Passivos Utilizam apenas a REM natural refletida ou emitida a partir da superfcie terrestre. A luz

solar a principal fonte de REM dos sensores passivos.

Ativos Estes sistemas utilizam REM artificial, produzida por radares instalados nos prprios

satlites. Estas ondas atingem a superfcie terrestre onde interagem com os alvos, sendo refletidas de volta ao satlite. Uma vantagem dos sensores ativos que as ondas produzidas pelos radares atravessam as nuvens, podendo ser operados sob qualquer condio atmosfrica. Uma desvantagem que o processo de interao com os alvos no capta, to detalhadamente quanto os sensores passivos, informaes sobre as caractersticas fsicas e qumicas das feies terrestres.

Os sensores cobrem faixas de imageamento da superfcie terrestre, cuja largura depende do ngulo de visada do sensor, (em ingls FOV - Field of View), (Fig. 5.2). O sensor Thematic Mapper (TM) do satlite LANDSAT cobre uma faixa de 185 km, o sensor Charge Copled Device (CCD) do satlite SPOT cobre uma faixa de 60 km, o sensor AVHRR do satlite NOAA cobre uma faixa de 2700 km. Estas faixas so dispostas ao longo da rbita e so varridas, pelo sensor, em linhas transversais ao sentido da rbita. Na varredura das linhas, dois processos so utilizados: a) Varredura por espelho, que se baseia no princpio da tcnica de imageamento de scanners multispectrais lineares. A REM refletida da superfcie dos objetos / alvos inside sobre um espelho mvel de face plana, montado com um ngulo de 45 sobre um eixo mecnico que imprime um movimento oscilatrio ao espelho, de tal forma que a superfcie do terreno varrida em linhas perpendiculares direo de deslocamento do satlite, permitindo o imageamento seqencial de linhas da superfcie do terreno. A REM refletida no espelho direcionada para o interior do sensor onde processada para dar origem s imagens. Os sensores TM e AVHRR utilizam este processo; b) Imageamento por matriz de detetores, ao invs do espelho, uma matriz de detetores cobre toda a largura da faixa de imageamento. Os detetores so dispostos em linhas que formam a matriz. O sensor CCD utiliza este processo.

Em ambos processos a REM decomposta em faixas denominadas bandas espectrais e .as linhas so fracionadas em pequenas parcelas quadradas da superfcie terrestre, denominadas pixel.

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tico deteco eletrnico

Fig. 5.1 - Sistema sensor

Fig. 5.2 - Processos de varredura e deteco

6. IMAGEM DIGITAL

6.1. Forma de Armazenamento Toda imagem captada pelo sensor, em formato digital, armazenada em arquivos de

computador como qualquer outro arquivo de dados. Frequentemente existem dois arquivos para cada imagem de SR, um deles, normalmente de pequena dimenso, destina-se s informaes de cabealho da imagem (identificao do satlite, do sensor, data e hora, tamanho do pixel, etc.), tambm chamado de header da imagem, e outro que contm os valores numricos correspondentes aos pixels da imagem. A este ltimo damos a denominao de imagem digital (Fig. 6.1). Cada registro deste arquivo corresponde a uma linha da superfcie terrestre. Os campos destes registros so todos do mesmo tamanho e correspondem aos pixels. O valor armazenado em cada campo proporcional intensidade da REM, proveniente da parcela da superfcie terrestre.

Um aspecto que deve tambm ser observado a dimenso do espao, normalmente em disco de computador, ocupado por uma imagem. Este espao tem relao direta com a quantidade de pixel e a quantidade de bandas espectrais das imagens. Por esta razo imagens com pixels de menor dimenso cobrem consequentemente faixas de imageamento mais estreitas, caso contrrio, as linhas teriam uma grande quantidade de pixels e consequentemente a imagem poderia ter uma dimenso exageradamente grande. Uma imagem LANDSAT, por exemplo, cobre uma rea de 180 km X 180

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km, como a dimenso do pixel deste satlite de 30 m, a imagem tem 6000 linhas com 6000 pixels em cada linha. Como a imagem LANDSAT tem 7 bandas espectrais, o espao total ocupado por uma imagem Landsat , portanto, (6000 X 6000 X 7) = 252 Megabytes.

39 42 67 54 58 48 40 50 16 1341 37 48 62 53 45 49 11 10 9453 49 50 46 57 51 14 13 86 9859 55 46 50 52 53 15 8 97 10048 54 56 15 12 13 9 91 106 9912 9 13 11 10 9 88 110 95 9815 13 14 96 87 88 106 108 110 10586 90 87 100 115 106 107 103 99 114

100 106 110 103 110 109 111 115 100 107103 116 118 105 102 115 106 118 109 110

Colunai

Linha j

1 2 3 ...123

.

.

.

Fig. 6.1 - Matriz numrica bidimensional que caracteriza uma imagem digital

6.2. Resoluo espacial Cada sistema sensor tem uma capacidade de definio do tamanho do pixel, que corresponde

a menor parcela imageada (Fig. 6.2). O pixel indivisvel. impossvel identificar qualquer alvo dentro de um pixel, pois seu valor integra todo o feixe de luz proveniente da rea do solo correspondente ao mesmo. A dimenso do pixel denominada de resoluo espacial. As imagens LANDSAT tm resoluo espacial de 30 m, a resoluo espacial do SPOT de 20 m e a do NOAA de 1100 m. Quanto menor a dimenso do pixel, maior a resoluo espacial da imagem. Imagens de maior resoluo espacial tm melhor poder de definio dos alvos terrestres.

Fig. 6.2 - Pixel, pequenos quadrados na imagem 6.3. Resoluo espectral

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Como mencionado anteriormente, a REM decomposta, pelos sensores, em faixas espectrais de larguras variveis. Estas faixas so denominadas bandas espectrais (Fig. 6.3). Quanto mais estreitas forem estas faixas espectrais, e/ou quanto maior for o nmero de bandas espectrais captadas pelo sensor, maior a resoluo espectral da imagem. Imagens Landsat / TM, por exemplo, tm 7 bandas: 0,45 m a 0,52 m, 0,52 m a 0,60 m, 0,63 m a 0,69 m, 0,76 m a 0,90 m, 1,55 m a 1,75 m, 2,08 m a 2,35 m, 10,4 m a 12,5 m. Existem sensores que geram imagens com centenas de bandas espectrais.

Fig. 6.3 - Bandas espectrais

6.4. Resoluo radiomtrica A resoluo radiomtrica est relacionada a faixa de valores numricos associados aos

pixels. Este valor numrico representa a intensidade da radincia proveniente da rea do terreno correspondente ao pixel e chamado de nvel de cinza. A faixa de valores depende da quantidade de bits utilizada para cada pixel. A quantidade de nveis de cinza igual a 2 (QtdBits) (dois elevado a quantidade de bits). Para ilustrar, na figura abaixo os retngulos brancos simbolizam bits desligados e os pretos bits ligados. Todos os bits desligados correspondem ao valor 0, somente o primeiro bit ligado corresponde ao valor 1, o segundo ligado e os demais desligados corresponde ao valor 2 e assim sucessivamente at todos os 8 bits ligados que corresponde ao valor 255. Pode-se observar que 2 bits, por exemplo, possibilitam 4 combinaes possveis: os dois desligados; o primeiro ligado e o segundo desligado; o primeiro desligado e o segundo ligado; ambos ligados.

As imagens LANDSAT e SPOT utilizam 8 bits para cada pixel, portanto, o mximo valor numrico de um pixel destas imagens 255, so todas as combinaes possveis de bits ligados e desligados. Desta maneiro, a intensidade da REM quantificada, na imagem LANDSAT, em valores entre 0 e 255. As imagens NOAA utilizam 10 bits, portanto, o valor mximo do nvel de cinza de um pixel NOAA 1023. Estas tm, portanto, resoluo radiomtrica maior que as imagens do LANDSAT e do SPOT cuja faixas variam de 0 e 255.

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0, 1 (2 nveis de cinza)0, 1, 2, 3 (4 nveis de cinza)

0 a 255 (256 nveis de cinza)

Fig. 6.4 - Nvel de cinza, depende da quantidade de bits

6.5. Resoluo temporal Est relacionada ao perodo de tempo em que o satlite volta a revisitar uma mesma rea. O

satlite SPOT tem resoluo temporal de 26 dias, portanto menor que o LANDSAT que de 16 dias.

6.6. Procedimentos para aquisio de imagens de satlite Uma dvida comum, para a comunidade de usurios, tem sido de como proceder para obter

uma imagem de satlite. O primeiro passo consiste em identificar as instituies que comercializam ou distribuem imagens. No Brasil o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), so distribuidores das imagens LANDSAT, SPOT e CBERS. O INPE possui uma estao de recepo destas imagens em Cuiab-MT. As instituies proprietrias dos satlites LANDSAT e SPOT cobram para disponibilizar as imagens nas estaes, por isto o custo das mesmas relativamente alto, em torno de 400 dlares por imagem completa, gravada em CD. Algumas empresas privadas tambm comercializam estas e outras imagens, como por exemplo, as imagens Ikonos. As imagens NOAA tm custo menor porque a instituio proprietria do satlite no cobra para disponibilizar as imagens nas estaes receptoras. Vrias instituies pblicas e privadas recebem as imagens NOAA: o INPE, o INMET, a FUNCEME, a UFRGS, etc. A Internet um excelente meio de busca de fornecedores de imagens.

O passo seguinte definir a rea de interesse. Por exemplo, qual o municpio de interesse e, at mesmo qual parte do municpio, caso este seja de grande dimenso territorial. Se possvel determinar as coordenadas geogrficas da rea. O GPS pode ajudar nesta tarefa definindo uma coordenada central ou um polgono envolvente da rea. Dependendo da localizao e dimenso da rea uma imagem pode ser suficiente, contudo, existem casos mesmo de pequenas reas onde h necessidade de se adquirir vrias imagens, como na situao em que a rea esteja localizada nos cantos das imagens. Definida a rea possvel identificar a(s) imagem(ns) a ser(em) adquirida(s), o LANDSAT e o SPOT tm um sistema de identificao das imagens composto de 2 nmeros, o primeiro o nmero da rbita e o segundo o nmero da imagem dentro da rbita, tambm chamado de ponto. A identificao das imagens pode ser obtida no mapa denominado Sistema de Referncia Universal, fornecido pelo INPE. Por exemplo, a imagem LANDSAT que cobre o DF a 221/71.

A imagem pode ser adquirida inteira ou parcialmente (Fig. 6.6). No caso do Landsat, a menor frao da imagem um sub-quadrante de 45 km X 45 km, estes sub-quadrantes so identificados pelos nmeros de 1 a 16. Pode-se adquirir tambm quadrantes de 90 km X 90 km, que so identificados pelas letras A, B, C, D, E, S, W, N e X. Porm o custo de um quadrante ou sub-quadrante no muito diferente do de uma imagem inteira, portanto, quase sempre vale a pena adquirir a cena completa. Cada imagem Landsat e Spot tm uma posio fixa, porm elas podem ser adquiridas com deslocamento ao longo da rbita. O tempo de entrega das imagens aos usurios tem sido longo. comum esperar de 20 a 30 dias, pelo recebimento de imagens adquiridas no Brasil.

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?CCT

Processamento eletrnico

Processamento fotogrfico

Arquivamento

Distribuio

Recepo

Pr-processamento

Usurio

Fig. 6.5 - Caminho recepo usurio

Fig. 6.6 - Quadrantes e sub-quadrantes de uma imagem Landsat

7. PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS

O grande volume de dados, intrnseco s imagens de satlite, associado relativa complexidade de clculos, requer expressivos recursos computacionais para o armazenamento e tratamento das informaes do SR. A evoluo da informtica, tanto em equipamentos como em softwares, tem propiciado estes recursos. So dispositivos que suportam macios volumes de dados, como os discos rgidos com muitos gigas e at terabytes, fitas magnticas CD ROM, etc. Monitores de alta resoluo, para anlise e visualizao de imagens em alta definio. Eficientes dispositivos de entrada, como scanners e os leitores de fita e CD. Excelentes dispositivos de sada, como impressoras, traadores grficos (plotters) e unidades de gravao de fita e de CD. As capacidades de memria outro importante item no tratamento digital de imagens, pois, este recurso agiliza substancialmente o processamento, reduzindo o tempo de espera pelo fotointrprete. Os sistemas de processamento digital de imagens tem sido o segmento onde se tem investido grandes recursos tcnicos e humanos, e por isto, a evoluo deste segmento tem respondido de modo eficiente, s demandas do SR. Dentre os sistemas de processamento digital de imagens disponveis podemos citar: SPRING, ENVI, IDRISI, PCI, ER-MAPER, ERDAS, entre outros. Na verdade o processo evolutivo uma corrida sem fim. Continuamente o SR vem disponibilizando imagens com maiores volumes e complexidade de interpretao, exigindo contnua evoluo dos recursos computacionais. De qualquer forma, sempre conveniente investir em eficientes recursos computacionais, para

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tratamento das informaes do SR, pois sempre se ganha em qualidade e em produtividade, reduzindo substancialmente as despesas com recursos humanos, na anlise e interpretao de imagens, que normalmente sempre o mais caro.

Uma imagem digital como j vimos, pode ser definida como sendo um conjunto de pontos, onde cada ponto (pixel) corresponde a uma unidade de informao do terreno, formada atravs de uma funo bidimensional f(x,y), onde x e y so coordenadas espaciais e o valor de f no ponto (x,y) representa o brilho ou radincia da rea correspondente ao pixel, no terreno. Tanto x e y (linha e coluna) quanto f s assumem valores inteiros, portanto, a imagem pode ser expressa numa forma matricial, onde a linha i e coluna j correspondem s coordenadas espaciais x e y, e o valor digital no ponto correspondente a f, o nvel de cinza do pixel daquele ponto.

Como visto anteriormente, em imagens digitais, quanto maior o intervalo de possveis valores do pixel, maior a sua resoluo radiomtrica; e quanto maior o nmero de elementos da matriz por unidade de rea do terreno, maior a sua resoluo espacial. Os nveis de cinza podem ser analisados atravs de um histograma, que representa a freqncia numrica ou porcentagem de ocorrncia e fornecem informaes referentes ao contraste e nvel mdio de cinza, no fornecendo, entretanto, nenhuma informao sobre a distribuio espacial. A mdia dos nveis de cinza corresponde ao brilho da imagem, enquanto que a varincia refere-se ao contraste. Quanto maior a varincia, maior ser o contraste da imagem.

7.1. Pr-processamento As imagens na forma em que so recebidas originalmente dos satlites, (tambm chamadas de

imagens brutas), apresentam degradaes radiomtricas devidas a desajustes na calibrao dos detetores, erros espordicos na transmisso dos dados, influncias atmosfricas, e distores geomtricas. Todas estas imperfeies, se no corrigidas, podem comprometer os resultados e produtos derivados das imagens. O pr-processamento, que a etapa preliminar do tratamento digital de imagens, tem esta finalidade. Normalmente o fornecedor das imagens, (INPE e empresas), se encarrega de proceder esta tarefa, antes de entregar as imagens para o usurio. Trs tipos principais de pr-processamento, so utilizados.

7.1.1. Correo Radiomtrica Este tratamento destina-se, a pelo menos reduzir as degradaes radiomtricas decorrentes dos

desajustes na calibrao dos detetores e erros espordicos na transmisso dos dados. As principais correes radiomtricas so o stripping aplicado ao longo das linhas com base em padro sucessivo, que aparecem na imagem, em decorrncia, da diferena ou desajuste de calibrao dos detetores, e o droped lines, aplicado entre linhas com base em padro anmalo na imagem, que ocorre pela perda de informaes na gravao ou na transmisso dos dados.

7.1.2. Correo atmosfrica A interferncia atmosfrica um dos principais fatores de degradao nas imagens, muitas

vezes comprometendo a anlise e interpretao das mesmas (Fig. 7.1). A intensidade deste efeito depende do comprimento de onda, portanto, ele afeta de modo diferente a cada uma das bandas espectrais. A correo da imagem pode ser feita por meio de modelos matemticos baseados em parmetros atmosfricos que normalmente so desconhecidos, dificultando a aplicao dos modelos. Estes parmetros devem ser obtidos na hora e data de passagem do satlite, por meio de estaes meteorolgicas e isto um procedimento difcil.

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Espalhada

Espalhada

Espalhada

Refle

ctnc

ia tra

nsm

itida

Transmitida

Absorvida

Absorvida

Fig. 7.1 - Interferncia atmosfrica

Na prtica utiliza-se tcnicas mais simples, que produzem resultados satisfatrios. A tcnica do mnimo histograma uma delas, e baseia-se no fato de que, sombras de nuvens densas e de relevo e corpos d'gua limpa, por hiptese, deveriam ter radincia nula, consequentemente nveis de cinza zero (Fig. 7.2). Portanto, valores de nveis de cinza no nulos, encontrados nestas reas so considerados provenientes de efeito aditivo do espalhamento atmosfrico. A tcnica consiste em subtrair de cada pixel de cada banda espectral de toda a imagem, o menor valor medido nestas reas.

Um outro mtodo alternativo de correo atmosfrica o da regresso de bandas. Este mtodo assume que entre duas bandas altamente correlacionadas, a equao da reta de melhor ajuste deveria passar pela origem dos eixos, caso no houvesse efeito aditivo da atmosfera. Porm, devido a este efeito, a reta corta o eixo y em algum ponto maior que zero. O valor da ordenada do ponto de interceptao representa o valor adicionado devido a efeitos atmosfricos naquela banda. Este valor, que a constante da equao da reta, subtrado da banda considerada.

Fig. 7.2 - Efeito de sombras

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7.1.3. Correo Geomtrica Outro tipo de distoro das imagens brutas so as chamadas distores geomtricas, que diminuem a preciso espacial das informaes. Vrias aplicaes como a cartografia, a confeco de mosaicos, sistemas de informaes geogrficas, a deteco e acompanhamento de mudanas espaciais em feies terrestres, necessitam de dados com boa preciso espacial, exigindo a correo de tais distores. Uma das causas das distores geomtricas so as oscilaes do satlite em torno de eixos definidos por um sistema cartesianos posicionado no mesmo, (eixos x, y, z). As oscilaes em torno destes 3 eixos provocam desalinhamentos no processo de varredura da superfcie terrestre, feita pelo sensor (Fig. 7.3). Estas oscilaes so identificadas por: a) "row", que afetam a varredura no sentido longitudinal; b) "pitch", que provocam distores transversais no processo de varredura; c) "yaw" que provocam distores semelhantes a um leque na disposio das linhas na imagem. Outros fatores provocam distores geomtricas nas imagens. A variao da altitude do satlite afeta a escala da imagem. A variao da velocidade do satlite provoca uma superposio ou afastamento de varreduras consecutivas. O movimento de rotao da Terra provoca deslocamentos laterais gradual das linhas ao longo da imagem. Imperfeies do mecanismo de varredura do sensor, tambm provocam distores geomtricas. Os pixels das bordas laterais da imagem tm dimenses maiores que os pixels situados sob a rbita, isto decorre do fato de que o ngulo instantneo de visada, que o ngulo correspondente a um pixel, (IFOV em ingls), constante ao longo da varredura da linha, consequentemente, este ngulo cobre uma rea maior nas laterais do que sob o satlite.

Estas distores podem ser corrigidas, pelo menos parcialmente, por meio de modelos matemticos que descrevem as distores existentes. Aps a aquisio dos coeficientes deste modelo, uma funo de mapeamento criada para a construo da nova imagem corrigida. Um modelo freqentemente utilizado o polinomial, cujos coeficientes so estimados a partir de pontos de controle identificveis na imagem, e com localizao geodsica precisamente conhecida. Cruzamento de estradas, pontes, feies geolgicas podem ser tomados como pontos de controle. Os pontos de controle devem ser igualmente distribudos em toda a imagem, caso contrrio as regies com poucos ou nenhum ponto podem sofrer mais distores ainda. importante tambm que os pontos sejam posicionados com preciso, sobre a imagem. Um mtodo alternativo de correo geomtrica baseia-se nos dados de atitude do satlite (posio, velocidade, altitude, dados orbitais, etc.). Este mtodo menos trabalhoso, mas menos preciso, podendo, portanto, ser utilizado como uma aproximao preliminar do processo de correo geomtrica.

Direo da rbita

roll (rolamento)

yaw (deriva)

pitch (arfagem)

roll yaw pitch

Fig. 7.3 - Oscilaes dos satlites

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7.2. Classificao de Imagens

Classificao, em sensoriamento remoto, significa a associao de pontos de uma imagem a uma classe ou grupo de classes. Estas classes representam as feies e alvos terrestres tais como: gua, lavouras, rea urbana, reflorestamento, cerrado, etc. A classificao de imagens um processo de reconhecimento de classes ou grupos cujos membros exibem caractersticas comuns. Uma classe poderia ser, por exemplo, soja, um grupo de classes poderia ser reas cultivadas.

Ao se classificar uma imagem, assume-se que objetos/alvos diferentes apresentam propriedades espectrais diferentes e que cada ponto pertence a uma nica classe. Alm disso, os pontos representativos de uma certa classe devem possuir padres prximos de tonalidade, de cor e de textura. A classificao pode ser dividida em supervisionada e no supervisionada. A supervisionada utilizada quando se tem algum conhecimento prvio sobre as classes na imagem, de modo a permitir, ao analista, definir sobre a mesma, reas amostrais das classes. Estas reas amostrais so utilizadas pelos algoritmos de classificao para identificar na imagem os pontos representativos das classes. A fase preliminar onde o analista define as reas amostrais denominada de treinamento.

Dois algoritmos de classificao supervisionada bastante utilizados so o single-cell e o maxver.

A classificao no supervisionada til quando no se tem informaes relativas s classes de interesse na rea imageada. As classes so definidas automaticamente pelo prprio algoritmo da classificao.

A classificao tambm pode ser subdividida em determinstica e estatstica. Na classificao determinstica (ou geomtrica), pressupe-se que os nveis de cinza de uma imagem podem ser descritos por funes que assumem valores definidos de acordo com a classe.

Na classificao estatstica, assume-se que os nveis de cinza so variveis aleatrias z. A varivel aleatria z uma funo densidade de probabilidade p(z), definida de tal maneira que a sua varivel aleatria z esteja no intervalo (a,b), ou seja, ab p(z)dz = Pr(a

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7.3. Realce de Imagens Esta tcnica modifica, atravs de funes matemticas, os nveis de cinza ou os valores

digitais de uma imagem, de modo a destacar certas informaes espectrais e melhorar a qualidade visual da imagem, facilitando a anlise do fotointrprete. Sero apresentadas as tcnicas denominadas ampliao de contraste e composio colorida.

7.3.1. Ampliao de Contraste Esta tcnica considera que geralmente os nveis de cinza de uma cena, obtidos por um sistema

sensor qualquer, no ocupam todo o intervalo de valores possveis. Atravs de uma transformao matemtica, o intervalo original ampliado para toda a escala de nveis de cinza ou nmeros digitais disponveis. Por exemplo, uma imagem LANDSAT na qual os nveis de cinza estejam variando de 50 a 150, pode ter sua faixa de nveis de cinza ampliada para ocupar toda a faixa de valores possveis que de 0 a 255 (Fig. 7.5).

Embora a transformao mais comum seja a linear, pode-se implementar qualquer outro tipo de transformao, dependendo do histograma original e do alvo ou feio de interesse, tais como: logartmica, exponencial, raiz quadrada, etc.

255

255

0

Fig. 7.5 - Ampliao de contraste ( esquerda sem e direita com contraste)

7.3.2. Composio Colorida Trata-se de um dos artifcios de maior utilidade na interpretao das informaes do SR. Ela

fundamental para uma boa identificao e discriminao dos alvos terrestres. O olho humano capaz de discriminar mais facilmente matizes de cores do que tons de cinza. A composio colorida produzida na tela do computador, ou em outro dispositivo qualquer, atribuindo-se as cores primrias (vermelha, verde e azul), a trs bandas espectrais quaisquer. Este artifcio tambm conhecido como composio RGB (do ingls: Red, Green, Blue). Associando, por exemplo, a banda 3 cor vermelha (R), a banda 4 cor verde (G) e a banda 5 cor azul (B), produz-se uma composio colorida representada por 345 (RGB) (Fig. 7.6). A formao das cores na imagem pode

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ser considerada similar ao trabalho de um pintor que tenha a sua disposio 3 latas de tinta, uma de cada uma das cores acima. Com estas latas de tinta pintamos a imagem. A imagem pintada pixel a pixel. Os pixels so pintados individualmente usando um pouco de tinta de cada lata. A quantidade de tinta, de cada cor, determinada pelo nvel de cinza do pixel, na banda associada cor. Se o nvel de cinza for 0 em uma banda, significa que nenhuma tinta deve ser utilizada da correspondente cor. Pixels que tm nvel de cinza igual a 0 nas 3 bandas ficam completamente sem tinta, portanto em cor preta (ou sem cor). Se o nvel de cinza em uma banda for mximo, digamos 255, significa que deve se utilizar o mximo de tinta da correspondente cor. Pixels que tm o mximo valor de nvel de cinza nas 3 bandas ficam, na imagem, em cor branca intensa. Pixels que tm o mesmo nvel de cinza nas 3 bandas ficam em tons da cor cinza, (no confundir nvel de cinza, que o valor digital do pixel, com a cor cinza que estamos agora utilizando). Neste caso de valores iguais dos nveis de cinza, o tom da cor cinza ser mais escuro para valores menores e mais claro para valores maiores. A ttulo de ilustrao, suponhamos que na composio 345 (RGB), um determinado pixel tivesse os seguintes nveis de cinza: banda 3 = 180, banda 4 = 70 e banda 5 = 10, este pixel teria um ton de cor mais puxado para o vermelho do que para o azul, uma vez que o valor 180 determina que se utilize muito mais tinta da cor vermelha (R) do que da cor azul (B), que corresponde ao valor 10 da banda 5 que est associada a esta cor. O olho humano no consegue distinguir, na tela do computador, um nico pixel de uma imagem em resoluo plena, mas, embora pintados individualmente, eles formam, no conjunto, a imagem colorida. A quantidade total de cores possveis de uma imagem no computador depende da faixa de valores dos nveis de cinza. Em uma imagem LANDSAT, por exemplo, onde a faixa de 0 a 255, tem-se 256 nveis de cinza, neste caso, portanto, a quantidade de cores discretas na imagem 256 X 256 X 256 = 16.777.216. So 256 quantidades diferentes de tinta que se pode tirar de cada lata que podem ser combinadas entre si.

Como os nveis de cinza de cada banda representam a assinatura espectral dos alvos, as coloraes que as feies terrestres recebem nas imagens, representam valioso meio de reconhecimento e de obteno de informaes, de modo indireto.

Banda 3

Banda 4

Banda 5

Fig. 7.6 - Composio colorida

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8. APLICAES

Em estudos para fins de levantamentos, monitoramento ou mapeamento, com uso de imagens de satlites, algumas etapas devem ser seguidas, entre elas: definio dos objetivos e da rea de estudo, reviso bibliogrfica, coleta de dados, escolha das bandas espectrais, (veja tabela), definio da escala, aquisio de imagens e de outros produtos necessrios, processamento (no caso de produtos digitais), anlise e interpretao visual preliminar, trabalho de campo, processamento, anlise e interpretao visual final, elaborao e impresso de mapas e relatrio.

O SR possibilita aplicaes em inmeras reas: agricultura, meio ambiente, geologia, recursos hdricos, estudo de solos, florestas, etc. A ttulo de ilustrao, a seguir apresentado um exemplo de aplicao na agricultura.

Vrias aplicaes do SR podem ser utilizadas no campo da Agricultura: previso de safras, mapeamento de culturas, definio de reas de aptido agrcola, zoneamento agro-ecolgico, monitoramento de incndios em lavouras e pastagens, etc. Na previso de safras, por exemplo, o SR pode ser utilizado em dois segmentos: no dimensionamento das reas de plantio e na estimativa do rendimento.

No clculo da rea de plantio necessrio proceder a identificao e mapeamento das lavouras de interesse, isto exige normalmente registro das imagens ou fotos areas, de modo a georeferenci-las. Este georeferenciamento permite localizar e mapear lavouras, seja dentro de propriedades ou dentro de municpios de interesse. Este georeferenciamento necessrio no sentido de se evitar erros tais como adicionar a um municpio reas pertencentes ao outros, ou deixar de computar em um municpio reas cultivadas no mesmo. Outro tratamento necessrio no clculo das reas de plantio a classificao, necessria para a identificao e mapeamento das culturas. O perodo das imagens deve ser definido em funo das condies fenolgicas das culturas, das condies de iluminao e em especial, das condies meteorolgicas. A cobertura de nuvens tem inviabilizado o uso de imagens de satlites para mapeamento de lavouras no Centro-Oeste brasileiro. Nos meses de janeiro, fevereiro e maro, perodo ideal para o mapeamento, dificilmente encontra-se imagens sem cobertura de nuvens dessa regio.

Entre as informaes do SR, que podem ser utilizadas para a estimativa do rendimento, destaca-se o ndice de vegetao (IV) (Fig. 8.1). Este ndice baseia-se no comportamento espectral da vegetao. Em geral toda vegetao, em bom desenvolvimento vegetativo, absorve significativamente a radiao na faixa do visvel, como energia para o processo da fotossntese. Por outro lado, esta mesma vegetao reflete fortemente a radiao do infravermelho. A intensidade da absoro do visvel e da reflectncia do infravermelho mais acentuada quanto melhor estiver o desenvolvimento da planta. Devido a forte absoro, a radincia correspondente faixa do visvel chega enfraquecida no satlite, enquanto a correspondente ao infravermelho, fortemente refletida pela vegetao, chega com forte intensidade. Esta diferena de intensidades captada pelo sistema sensor e registrada na imagem digital. Em computador, por meio de operaes aritmticas simples, utilizando os nveis de cinza dos pixels, obtm-se um valor numrico, chamado de ndice de vegetao. O IV, portanto reflete o estado de desenvolvimento da cultura e, consequentemente reflete a expectativa de rendimento da mesma. O IV recomendado somente para lavouras mais extensas, pois em lavouras de menor dimenso, pode ocorrer a mistura de vrias culturas em um nico pixel, o que dificulta e at mesmo inviabiliza seu uso. A estimativa da produtividade agrcola necessita de acompanhamentos freqentes, portanto, no caso de se utilizar imagens de satlite para esta finalidade, estas devem ser de alta resoluo temporal. Por esta razo que se tem verificado inmeros testes utilizando imagens dos satlites NOAA, cuja freqncia de imageamento praticamente diria.

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BANDA

FAIXA ESPECTRAL m

PRINCIPAIS APLICAES

1 0,45 0,52

- Mapeamento de guas costeiras - Diferenciao entre solo e vegetao - Diferenciao entre vegetaes conferas e decdua

2

0,52 0,60

- Reflectncia da vegetao verde sadia

3

0,63 0,69

- Absoro da clorofila - Diferenciao de espcies vegetais

4

0,76 0,90

- Levantamento de biomassa - Delineamento de corpos dgua

5

1,55 1,75

- Medidas de umidade da vegetao - Diferenciao entre nuvens e neve

6 10,4 12,5

- Mapeamento de estresse trmico em plantas - Outros mapeamentos trmicos

7

2,08 2,35

- Mapeamento hidrotermal -

Tabela 8.1 - Bandas Espectrais do Sensor TM e suas aplicaes

Out-Nov Dez Jan Fev Mar Abr

Ciclo de desenvolvimento da cultura

Monitoramento da biomassa

ndice de Vegetao

Fig. 8.1 - ndice de vegetao

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9. BIBLIOGRAFIA

American Society of Photogrammetry - Manual of Remote Sensing - Falls Church 1983 Cmara G., Davis C., Monteiro A.M.V., D'Alge J.C.L., Felgueiras C., Freitas C.C., Fonseca L.M.G., Fonseca F. Introduo Cincia da Geoinformao, www.dpi.inpe.br Novo, E. M. L. M, - Sensoriamento Remoto, Princpios e Aplicaes - Edgard Blucher, 1998. Rosa, R. - Introduo ao Sensoriamento Remoto - EDUFU- 1995. Schowengerdt, R. A., - Remote Sensing - Models and Methods for Image Processing, Ed. Academic

Press, 1997. Slater, P. N. - Remote Sensing: Optics and Optical Systems - Addison-Wesley, 1980

10. ALGUNS SITES RELACIONADOS AO SR

http://www.inpe.br http://www.dpi.inpe.br http://www.agespacial.gov.br/sensoriamento.htm http://www2.ibama.gov.br/ http://www.csr.ufmg.br/ http://www.img.com.br/imagem/ http://www.cnpm.embrapa.br http://www.intersat.com.br http://www.engesat.com.br http://www.threetek.com.br http://terra.nasa.gov http://www.usgs.gov/ http://eospso.gsfc.nasa.gov/

11. TPICOS GERAIS RELACIONADOS AO SR

Aplicaes para imagens Landsat (extrado de site da Internet)

Agricultura

Atualmente o Brasil se destaca como um dos maiores produtores mundiais de gros e cada vez mais as fronteiras agrcolas avanam sobre solos de menor fertilidade, o que fora o perfeito entendimento dos componentes ambientais para sustentar uma produo agrcola comercial e que no agrida negativamente o meio ambiente. O uso de imagens de satlite o melhor caminho para gerenciar e diagnosticar o comportamento ou o potencial agrcola de uma regio, uma vez que as informaes derivadas de imagens orbitais provem respostas rpidas e seguras, diretamente vinculadas a avaliao, monitoramento e mapeamento eficientes dessas reas.

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O LANDSAT 7, atravs de sua banda pancromtica (15 m) permite aplicaes diretas at a escala 1:25.000 a um baixo custo e a curto prazo, poupando recursos e tempo. As imagens geradas em vrias faixas do espectro eletromagntico (determinada faixa distingue melhor cana a pasto e vice-versa) proporcionam um ganho incomparvel quando se pretende estudar a evoluo de culturas diferentes ao longo do tempo. Alm da alta resoluo espectral das imagens LANDSAT 7, deve-se salientar a eficiente relao custo-benefcio em termos de resoluo tmporo-espacial. A possibilidade de imagens a cada 8 dias (intercalando-se com imagens obtidas pelo Landsat 5), a resoluo de 15 m na banda pancromtica e as imagens termais com 60 m e dois ganhos, colocam o LANDSAT 7 como ferramenta imprescindvel para estudos de natureza agrcola, ecolgica e ambiental. Um exemplo de anlise temporal de culturas diferentes pode ser feita comparando-se 3 tipos de culturas, as quais possuem comportamentos espectrais diferentes. Nesse caso, a discriminao entre elas pode ser feita em qualquer estgio da cultura, apenas com a aquisio de uma imagem do perodo em anlise. Graus de degradao ambiental, como eroso e assoreamento em reas agrcolas podem ser facilmente detectadas e determinado sua tendncia evolutiva atravs do emprego de imagens de satlite. Entre outras vantagens pode-se apresentar o comportamento da cultura aps uma forte chuva ou geada, quantificao de reas invadidas, clculo de reas cultivadas, previso de safras, suscetibilidade a ataque de pragas e agricultura de preciso.

Geocincias

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As aplicaes Landsat para recursos minerais e mapeamento geomorfolgico estavam geralmente restritas a levantamentos regionais, quando se contava apenas com a disponibilidade de imagens MSS.

A partir de 1982, com o lanamento do Landsat 4 e a introduo do sensor TM (Thematic Mapper), dotado de melhorias tcnicas, foi possvel se trabalhar com escalas maiores, da ordem de at 1:50.000, gerando produtos interpretativos com maior detalhamento da superfcie terrestre. Atualmente, com a disponibilidade do Landsat 7, a questo de escala, principalmente em mapeamentos e levantamentos exploratrios situados entre as escalas 1:25.000 a 1:50.000, tornaram-se acessveis, graas a introduo de banda pancromtica com resoluo de 15 m. A tendncia atual da pesquisa geomorfolgica apoiada em imagens de satlite aponta para duas vertentes: 1- maior nfase em processos (menores reas e ciclos temporais mais longos) e 2- detalhamento morfomtrico das formas de relevo. As pesquisas de processos, principalmente quelas ligadas a degradao dos solos e a identificao de processos erosivos e sedimentares, que outrora s eram possveis mediante o emprego de fotografias areas ou imagens SPOT, o que encarecia e inviabilizava muitos projetos, hoje j so passveis de execuo graas a versatilidade das imagens Landsat 7, que associam um grande contingente de informaes sobre o comportamento espectral dos alvos terrestres, detalhamento geogrfico e baixo custo por rea recoberta. Agora com a possibilidade de se trabalhar em pequenas reas, como bacias de drenagem, muito se tem feito para aumentar o poder de discriminao das imagens Landsat 7, principalmente atravs de composies coloridas obtidas pela combinao das diversas bandas espectrais do sensor ETM+, com Modelos Digitais do Terreno, tcnicas de relevo sombreado, etc. Aplicaes estritamente geolgicas referem-se ao maior poder de discriminao promovido pela banda pancromtica, alm da possibilidade de se compor mosaicos especficos para o estudo de uma varivel de interesse.

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Indstria Florestal e Agricultura de Preciso

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Atualmente o Brasil se destaca como um dos maiores produtores mundiais de gros e cada vez mais as fronteiras agrcolas avanam sobre solos de baixa fertilidade, o que fora o perfeito entendimento dos componentes ambientais

para sustentar uma produo agrcola comercial. O uso de imagens de satlite o melhor e mais barato caminho para gerenciar e diagnosticar o potencial agrcola dessas regies, pois as informaes obtidas por satlites orbitais so de

grande valia e eficincia na avaliao, monitoramento e mapeamento de reas cultivveis. Os resultados pioneiros obtidos a curto prazo nos segmentos Florestal e de Agricultura de Preciso, s so possveis a partir da perfeita integrao entre as tecnologias de GPS, GIS e Sensoriamento Remoto. A coleta seletiva de dados georreferenciados associado a informaes ambientais e de produo derivadas de imagens de satlite e integrados em ambiente SIG resumem as atividades relacionadas aos avanos tecnolgicos que esto a disposio do agricultor atravs da Agricultura de Preciso. Obtidos pelo satlite Landsat 7, renem ao mesmo tempo grande resoluo espectral e mdia Os dados resoluo espacial, alm de um ciclo de revisita adequado as atividades agrcolas. Portanto, tais facilidades de imageamento so fundamentais para o desenvolvimento de um projeto de Agricultura de Preciso e Manejo Florestal. Tomando-se dados Landsat7 como incio, pode-se ter o perfeito entendimento da produo florestal e agrcola, bem como do andamento da produo. Por exemplo, pode-se mapear todo o espao cultivado em termos de produtividade, rea colhida, ocorrncia de pragas, orientar a utilizao de defensivos agrcolas, controlar e identificar doenas, mapear os tipos de solos, mapas de colheita/produtividade, monitoramento de culturas, etc.

Meio Ambiente e Recursos Naturais

Os produtos Brasilmap derivados de imagens Landsat 7 ETM+ e outras bases de dados, fornecem uma grande quantidade de informaes que podem ser empregadas em diversos projetos, principalmente no monitoramento dos recursos naturais, planejamento e em atividades ambientais como o desenvolvimento sustentvel. Com o comprometimento de fornecer informaes rpidas, de baixo custo, confiveis e de grande utilidade para o monitoramento e planejamento dos recursos naturais e meio ambiente, foi que os produtos Landsat tornaram-se o principal e mais eficaz meio de imageamento sistemtico da superfcie do planeta. Vrios produtos so derivados dessas imagens orbitais e muitos deles so imprescindveis para o monitoramento e caracterizao dos fenmenos e fatores ambientais que se desenvolvem sobre a superfcie do planeta. Entre as principais aplicaes inclui-se o mapeamento de reas crticas, avaliao de impactos ambientais, tendncia de evoluo e crescimento, monitoramento e transformaes ambientais, identificao de fontes de poluio, etc.

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Praticamente, todos os fenmenos ambientais com expresso espacial cartografveis na escala 1:25.000 so passveis de ser acompanhados por produtos derivados das imagens Landsat 7. Mudanas ambientais decorrentes da ao humana ou mesmo a evoluo natural de ecossistemas so monitorados pelas informaes extradas pelas imagens Landsat 7. Um exemplo recente da versatilidade e aplicao das imagens Landsat e de outros sensores, refere-se ao monitoramento ambiental do vazamento de leo que ocorreu na Baia da Guanabara, Estado do Rio de Janeiro, no dia 18/01/00. No dia 19/01/00, coincidentemente, foi imageado uma passagem do satlite Landsat 5 sobre toda a Baia. Outros satlites ambientais tambm geraram imagens da regio que permitiu aos interessados, acesso rpido e confivel sobre as caractersticas e evoluo da mancha de leo.

Telecomunicaes

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A partir da fuso digital entre as bandas espectrais nas suas diversas composies com a banda pancromtica com resoluo de 15 m, possvel gerar texturas representativas da organizao do espao geogrfico para recobrir modelos

digitais, que representam a forma e altura das edificaes. Bases de dados precisas formadas por esses modelos de elevao so acompanhadas de outras texturas que auxiliam o processo de tomada de deciso, como: morfologia (uso do solo) e vetores (arruamentos, quadras, redes, etc). Essas simulaes tridimensionais tem aplicao direta em estudos de viabilidade locacional, alocao de equipamentos de telecomunicao e predio RF. A partir dessas bases so obtidas solues otimizadas principalmente por empresas de telecomunicaes. Seu uso permite: - Maior preciso nos clculos de predio RF - Clculo de microclulas - Clculos de visada - Anlises Locacionais - Planejamento e Dimensionamento de plantas

Cartografia Digital

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As bases cartogrficas oficiais brasileiras bem como a produo de mapas temticos bsicos, quase sempre so ou foram executados desconsiderando um programa de atualizao cartogrfica.

A cartografia sistemtica brasileira em quase todas as escalas so praticamente datadas das dcadas de 70 e 80, portanto est defasada planimetricamente em pelo menos 20 anos e os casos de atualizao so muito raros. A expanso ocupacional que desenvolveu-se rapidamente a partir da dcada de 80 e as transformaes espaciais que ocorreram em nosso espao geogrfico no esto representadas em nosso mapas bsicos. nesse contexto que as imagens Landsat 7 fornecem a base de dados para esse processo to importante e necessrio de atualizao.

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Atualmente, a disponibilidade do Landsat 7, habilitou projetos em escalares maiores, sendo perfeitamente possvel a aplicao dessas imagens para a produo de bases cartogrficas na escala 1:50.000 e maiores. Essa flexibilidade s foi capaz com a introduo de banda pancromtica com resoluo de 15 m. Embora nenhum satlite orbital de levantamento de recursos terrestres tenha sido desenvolvido especificamente para aplicaes cartogrficas, o uso de imagens orbitais em cartografia cada vez maior.

Planejamento Territorial e Urbano

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Assim, imagens de satlite podem prover informaes em um curto espao de tempo e a baixo custo, numa forma compatvel com os requerimentos tcnicos de uma plataforma SIG. As imagens de satlite integradas em um ambiente SIG no consiste apenas em mais um plano de informao mas sim, em uma fonte de dados que permite a extrao de uma grande quantidade de informaes temticas sobre a regio que foi imageada.

Redes e Vetores

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A aplicao de dados Landsat em redes e na extrao de dados vetoriais uma das aplicaes mais recorrentes em anlises do espao urbano. Atravs de mltiplos processamentos possvel realar informaes de interesse e com ajuda de sistema dedicados ao processamento de imagens, essas informaes so facilmente capturadas. Quando integradas em bases de dados vetoriais e manipuladas em ambiente GIS, esses dados, trazem respostas rpidas e fundamentais sobre vrios elementos do espao urbano, como estradas principais e secundrias, ferrovias, arruamentos, quadras, setores urbanos, etc. Tratadas conjuntamente com outros dados derivados de imagens orbitais ou de outras fontes, permite a definio de reas de influncia, limites polticos e reas de interesse especficos.