Mapeamento do uso do solo -...

Multidisciplinar

Allan ArnesenFrederico T. GenofreMarcelo Pedroso Curtarelli

Mapeamento do uso do solopara manejo de propriedades rurais

C A P Í T U L O

2Fundamentos de Sensoriamento Remoto

O sensoriamento remoto pode ser definido como um conjunto de técnicas em-

pregadas para adquirir dados e informações relativas aos recursos naturais da

Terra, por meio do registro e análise da interação da Radiação Eletromagnética

(REM) com os objetos/alvos da superfície terrestre, sem que haja contato direto

com os mesmos (SLATER, 1980; NOVO, 1992; JENSEN, 2007).

Os princípios físicos do sensoriamento remoto estão fundamentados nas teorias

ondulatória e quântica, ambas utilizadas para explicar a propagação da REM

através do vácuo ou de um determinado meio (p.ex. líquido ou gasoso). A teoria

ondulatória postula que a propagação da energia se faz através de movimentos

ondulatórios, enquanto que, a teoria corpuscular preconiza que a REM se com-

porta como um fluxo de partículas (fótons) que se movem à velocidade da luz

no vácuo(SLATER, 1980). Em sensoriamento remoto, alguns fenômenos podem

ser explicados melhor através da teoria ondulatória e outros através da teoria

corpuscular.

A aquisição de dados por sensoriamento remoto pode ser realizada em diferentes

níveis, de acordo com a altitude do sensor em relação ao alvo, podendo ser em

nível orbital, nível de aeronave ou nível de campo/laboratório (NOVO, 1992).


24 IEPEC

Os diferentes níveis de aquisição implicam em modificações na área observa-

da, diferenças na forma de analisar o dado coletado e consequentemente no

detalhamento da informação derivada. A grande vantagem do sensoriamento

remoto orbital é a possibilidade de coleta de dados de grandes áreas em curto

espaço de tempo, com grande repetitividade, a um custo relativamente baixo por

dado coletado (JENSEN, 2007). Por outro lado, este nível de aquisição apresenta

como desvantagem menor resolução espacial quando comparado aos níveis de

aeronave e campo/laboratório (NOVO, 1992).

A Figura 6 apresenta os principais componentes de um sistema de coleta de

dados por sensoriamento remoto: (A) representa as fontes de REM; (B) repre-

senta as trajetórias da REM na atmosfera; (C) representa os alvos na superfície

terrestre; (D) representa os sensores e as plataformas de coleta de dados; (E)

representa a transmissão dos dados coletados; (F) representa a etapa de pré-

-processamento de dados; e (G) representa os produtos finais gerados a partir

dos dados coletados.

Figura 6. Principais elementos de um sistema de coleta de dados por sensoriamen-to remoto.

Capítulo 2Fundamentos de Sensoriamento Remoto

25O portal do agroconhecimento

3.1. Fonte - Alvo - Sensor

Dentre todos os componentes de um sistema de sensoriamento remoto (apre-

sentados na Figura 7), podemos destacar a fonte de REM, o alvo e o sensor. O

conhecimento das características básicas destes três componentes é de suma

importância para os usuários de imagens de satélite, pois propicia uma melhor

escolha das imagens a serem utilizadas em serviços de mapeamento. A seguir

cada um destes componentes são descritos em mais detalhes.

3.1.1. Fontede REM

A REM é emitida por qualquer corpo que possua temperatura acima de zero grau

absoluto (0 Kelvin). Desta maneira, todo corpo com uma temperatura absoluta

acima de zero pode ser considerado como uma fonte de energia eletromagné-

tica. O Sol e a Terra são as duas principais fontes naturais de REM utilizadas no

sensoriamento remoto da superfície terrestre. Contudo, existem sensores que

possuem sua própria fonte de energia e são capazes de emitir REM ativamente.

A REM não precisa de um meio material para se propagar sendo definida como

uma energia que se move na forma de ondas eletromagnéticas à velocidade da

luz (~ 300.000 km/s). Usualmente a REM é caracterizada por sua frequência (f) e comprimento de onda (λ), sendo que estas duas grandezas estão relacionadas

pela seguinte equação:

c=f×λ ,Onde: c = a velocidade da luz (m/s), f é a frequência (1/s ou Hz) e λ é o com-

primento de onda (m).


26 IEPEC

A REM pode ser ordenada de maneira contínua em função de seu comprimento

de onda ou de sua frequência, sendo esta disposição denominada de espectro

eletromagnético. O espectro da REM apresenta subdivisões de acordo com as

características de cada região. Cada subdivisão é função do tipo de processo

físico que dá origem a energia eletromagnética, do tipo de interação que ocorre

entre a radiação e o objeto (alvo) sobre o qual esta incide, e da transparência

da atmosfera em relação à radiação eletromagnética. O espectro eletromagné-

tico se estende desde comprimentos de onda muito curtos associados aos raios

cósmicos, até as ondas de rádio de baixa frequência e grandes comprimentos de

onda (Figura 7). Em sensoriamento remoto, as imagens são usualmente registra-

das utilizando a porção da REM localizada nas regiões do visível, infravermelho

e radar (microondas).

Figura 7. Espectro eletromagnético

3.1.2. Alvo

Em sensoriamento remoto, qualquer objeto sobre a superfície terrestre pode ser

considerado como um alvo. Os alvos são responsáveis por interagir com a REM,

sendo que a REM incidente sobre um alvo pode ser em parte absorvida, refletida

ou transmitida pelo mesmo. A absorção, reflexão e transmissão da energia in-

cidente poder ser total ou parcial, guardando sempre o princípio de conservação

de energia. A capacidade de um objeto absorver, refletir e transmitir a radiação



eletromagnética é denominada, respectivamente, de absortância, reflectância

e transmitância, sendo que os valores variam entre 0 e 1. Os alvos terrestres

interagem de maneira diferenciada espectralmente com a REM incidente, pois

os objetos apresentam diferentes propriedades físico-químicas e biológicas. A

vegetação, por exemplo, comumente absorve mais energia na região do visível e

reflete grande parte da energia localizada na região do infravermelho. Estas dife-

rentes interações é que possibilitam a distinção e o reconhecimento dos diversos

objetos terrestres por meio de imagens de satélites, pois são reconhecidos devido

a variação da porcentagem de energia refletida em cada comprimento de onda.

O conhecimento do comportamento espectral dos alvos terrestres é muito im-

portante para a escolha da região do espectro sobre a qual se pretende adquirir

dados/imagens de satélite para determinada aplicação. A Figura 8 apresenta o

comportamento espectral típico de diferentes alvos naturais da superfície ter-

restre.

Figura 8. Comportamento espectral típico de alvos naturais na superfície da Terra.


28 IEPEC

3.1.3. Sensores

Os sensores remotos são dispositivos capazes de detectar a REM (em determina-

das faixas do espectro eletromagnético) proveniente de um alvo, transformá-las

em um sinal elétrico e registrá-las, de tal forma que esta possa ser armazenada

ou transmitida em tempo real para posteriormente ser convertido em informa-

ções que descrevem as feições dos alvos que compõem a superfície terrestre

(Figura 9).

As principais partes de um sensor são:

a) Coletor: é um componente óptico capaz de concentrar o fluxo de energia

proveniente da amostra no detector;

b) Filtro: é o componente responsável pela seleção da faixa espectral da energia

a ser medida;

c) Detector: é um componente de pequenas dimensões feito de um material

cujas propriedades elétricas variam ao absorver o fluxo de energia, produzindo

um sinal elétrico;

d) Processador: é um componente responsável pela amplificação do fraco sinal

gerado pelo detector e pela digitalização do sinal elétrico produzido pelo detector;

e) Unidade de saída: é um componente capaz de registrar os sinais elétricos

captados pelo detector para posterior extração de informações.



Enhanced Thematic Mapper + Scanner

Figura 9. Exemplo de um sensor remoto: ETM+ a bordo do satélite Landsat 7.

1) Mainframe

2) Aperture Sunshade

3) Sean Mirror

4) Primary Mirror

5) Secondary Mirror

6) Prime Focal Plane

7) Hybrid Preamplifiers

8) Calibration Shutter

9) Black Body

10) Relay Optics Assembly

11) Radiative Cooler

12) Circuit Card Assemblies

13) Earth Shield

14) Eletronics Module

15) Power Supplies

16) Thermal Control Louvers

17) Full Aperture Calibrator Assembly


30 IEPEC

Atualmente existem diversos sensores disponíveis, em operação, para a coleta

de dados. Cada um desses sensores pode ser classificado de acordo com suas

características, sendo que, a aplicação dos dados coletados está intrinsicamente

relacionada a estas características. A seguir é feita uma breve descrição das

classificações dos sensores e suas resoluções.

Classificação dos sensores

Os sensores podem ser classificados de diferentes formas, sendo que um mesmo

sensor pode apresentar diferentes classificações. A seguir é apresentado um

breve resumo das classes de sensores.

a) Tipo de dado: os sensores podem ser classificados em imageadores e não

imageadores. Os sensores do tipo imageador são aqueles que fornecem dados

na forma de imagens. Já os sensores não imageadores podem fornecer dados

em outras formas, como por exemplo, na forma de gráficos e tabela de dados. A

categoria de sensores imageadores podem ser sub classificados de acordo com

o tipo de varredura utilizada na coleta dos dados. Neste caso, os sensores po-

dem ser classificados como de varredura mecânica (whiskbroom) ou varredura

eletrônica (pushbroom);

b) Tipo de plataforma: os sensores podem ser classificados em orbitais ou sub

orbitais. Os sensores orbitais são aqueles que estão a bordo de satélites e plata-

formas em órbita ao redor da Terra (p.ex. sensor TM a bordo do satélite Landsat5).

Os sensores sub orbitais são aqueles que estão a bordo de aviões e outros tipos

de plataformas que não estão em órbita ao redor da Terra (p.ex. sensor AVIRIS).

Os sensores orbitais podem ser subdivididos em duas grandes categorias: os de

órbita polar e os de órbita geoestacionária. Os sensores de órbita polar são aque-

les que possuem uma órbita passando ao redor dos polos da Terra. Os sensores

de órbita geoestacionária possuem, geralmente, uma órbita ao redor do Equador



terrestre; estes sensores possuem velocidade igual à de rotação da Terra, obser-

vando sempre a mesma região do globo terrestre. Os sensores de órbita polar

possuem altitude (~700 km de altitude) inferior aos de órbita geoestacionária

(~30.000 km de altitude).

c) Faixa do espectro eletromagnético: os sensores podem ser classificados de

acordo com a faixa do espectro eletromagnético que operam. Os sensores ópticos

são aqueles que coletam imagens na região visível do espectro eletromagné-

tico (400 nm - 700 nm). Os sensores termais são aqueles que coletam dados

na região do espectro do infravermelho termal (3 m –100 m). Os sensores

de microondas são aqueles que operam na região de microondas do espectro

eletromagnético (~ 1 cm – 10 cm).

d) Número de bandas: Os sensores podem também ser classificados de acordo

com o número de bandas em que coletam imagens. Os sensores multiespectrais

são aqueles que coletam imagens em poucas bandas espectrais (p.ex. sensor

TMa bordo do satélite Landsat 5). Já os sensores hiperespectrais são aqueles

que coletam dados em diversas bandas espectrais (geral mais de 100 bandas),

com largura de bandas estreitas e continuas (p.ex. sensor Hyperion a bordo do

satélite EO-1).

Resolução dos sensores

Usualmente um sensor é caracterizado em função de quatro resoluções: espa-

cial, espectral, temporal e radiométrica. Tais resoluções representam a limitação

operacional de um sistema de sensoriamento remoto para produzir uma imagem

nítida e bem definida.


32 IEPEC

Resolução espectral

Esta característica está relacionada ao número e a largura das bandas espectrais

que o sistema sensor pode discriminar. Assim, um sensor será tanto mais sensível

quanto maior o número de bandas estreitas que ele tiver, uma vez que isto facilita

a caracterização espectral dos distintos alvos da superfície terrestre. Uma alta

resolução espectral é obtida quando as bandas de um sistema sensor são estrei-

tas e/ou quando se utiliza um maior número de bandas espectrais. O sistema

TM, por exemplo, opera em sete faixas espectrais do espectro eletromagnético,

possuindo, portanto, uma resolução espectral melhor do que o sistema MSS.

Paralelamente, as bandas do TM são mais estreitas que as do MSS.

Resolução espacial

A resolução espacial é uma medida da menor separação angular ou linear entre

dois objetos que pode ser determinada pelo sistema de sensoriamento remoto.

Também pode ser entendida como a medida do menor objeto passível de ser

resolvido espacialmente em uma imagem digital. O processo de amostragem

é o principal fator que determina a resolução espacial de uma imagem digital,

(JENSEN, 2007; GONZALES; WOODS, 2002). Segundo Schott (2007), a medida

angular de um elemento detector individual é chamada de IFOV (Instantaneous

Field of View), ou seja, campo de visada instantâneo do sensor. O IFOV pode ser

expresso através da seguinte equação:

Onde: é a dimensão lateral de um detector quadrado; é a distância focal

do sistema óptico do sensor. Geralmente o IFOV é expresso em unidades de



miliradianos. A projeção do IFOV no terreno é denominada GIFOV (Ground Instan-

taneous Field of View). O GIFOV é dado em unidade de distância e sua relação

com o IFOV é dada pela seguinte equação:

GIFOV=H×IFOV

Onde: H é a altitude da plataforma na qual o sensor está a bordo. A Figura 10

apresenta a ideia de IFOV e GIFOV.

Figura 10. Esquema ilustrativo apresentando a ideia de IFOV e GIFOV.

Resolução temporal

Pode ser compreendido como o intervalo de vezes que o satélite observa uma

mesma área do terreno em um determinado período. A resolução temporal


34 IEPEC

refere-se à periodicidade com que o sistema sensor é capaz de adquirir ima-

gens da mesma porção da superfície terrestre. Esta característica dos sistemas

sensores varia de acordo com os objetivos fixados para o sensor. Os satélites

meteorológicos, por exemplo, são obrigados a oferecer informações em períodos

curtos de tempo, pois se dedicam a observar um fenômeno muito dinâmico,

por esta razão sua resolução temporal é de 30 minutos (p.ex. Meteosat e GOES)

ou de 12 horas como os dos satélites da série NOAA. Os satélites de recursos

naturais (p.ex. TM, OLI) oferecem uma periodicidade muito maior, pois não estão

coletando informações de fenômenos tão dinâmicos como os meteorológicos,

podendo variar entre dias e semanas.

Resolução radiométrica

De maneira simplificada, diz respeito a sensibilidade do sistema em detectar

níveis de intensidade de radiação, ou seja, trata-se da capacidade de um de-

terminado sensor em distinguir entre níveis distintos de intensidade do sinal de

retorno. Assim, quanto maior a resolução radiométrica (expresso em número de

bits) maior será a quantidade de níveis de brilho que o sensor poderá distinguir.

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