doutorado em ciências ambientais (ciamb / ufg) sensoriamento remoto aplicado à ciência ambiental...

Doutorado em Ciências Ambientais (CIAMB / UFG)

Sensoriamento Remoto Aplicado à Ciência AmbientalPrincípios Físicos

Dr. Laerte Guimarães Ferreira

http://www.ufg.br/lapig

Sensoriamento Remoto

Radiaçao Incidente

Radiaçao Refletida

Radiaçao Emitida

Sensoriamento Remoto:Desenvolvimento dos Sistemas Sensores

Usuários Tradicionais Novos Usuários

Planejamento civil (mapeamento, zoneamento, etc), forças armadas, serviços de inteligência, centros de pesquisa,

"governos"Media eletrônica e impressa

Organizações multinacionais (ex. ONU) ONG´s (política ambiental, conflitos regionais, etc)

Negócios (extração e gerenciamento de recursos naturais)Academia & Organizações de Pesquisa (ex. estudos em

transporte, arqueologia, etc)

Academia & Organizações de Pesquisa (depart. de Geologia e Geografia, programas de sens. Remoto,

estudos ambientais)

Negócios (ex. empresas de seguros, telecomunicações, agricultura de precisão, etc)

Remote Sensing Business (empresas aero-fotogramétricas, fornecedores de imagens, empresas

de geoprocessamento)"Clientes" (Imobiliárias, "indivíduos")

Sensoriamento Remoto:Perfil dos Usuários

Sensoriamento Remoto: Aplicações

Sensoriamento Remoto: Aplicações

Sensoriamento Remoto: Aplicações

Espectro Eletromagnético - REM

Espectro Eletromagnético - REM

Comportamento Espectral de Alvos

Radiação Eletromagnética“Janelas Atmosféricas”

Radiação Eletromagnética“Janelas Atmosféricas”

Interações Energia - Alvo

Espectro Eletromagnético - REM

NomeIntervalo Espectral

Fonte de Radiação

Propriedade Medida

Fenômeno

Visível 0,4 - 0,7 Sol Reflectância Absorções

Infravermelho próximo 0,7 - 1,1 Sol ReflectânciaAbsorções / Vibrações

Infravermelho de ondas curtas1,1 - 1,35 1,4 - 1,8 2,0 - 2,5

Sol Reflectância Vibrações

3,0 - 4,0 Sol Reflectância Vibrações

4,5 - 5,0Corpos terrestres de altas temperaturas

(incêndio)Temperatura Emissão

Infravermelho termal8,0 - 9,5 10 - 14

Terra Temperatura Emissão

Terra (passivo) "Backscatter" Rotação

Artificial (ativo) "Backscatter" Rotação

Infravermelho médio

Microondas (radar) 1mm - 1m

Radiação Eletro-Magnética: Propriedades

Teoria Eletro-Magnética da Luz

Período (T): tempo entre 2 cristas

Frequência: 1/T = # cristas / seg. (f = 1/T)

C = f f = C/

Q = hf Q = hC/ (joules)

Radiação Eletro-Magnética: Propriedades

Radiação Eletro-Magnética:Unidades de Medidas

1exp

2

5

2

,

KT

hc

hcM n

4TM n

4TM

T

mK 2898max

Radiação Eletro-Magnética: Leis fundamentais

Radiação Eletro-Magnética: Relações Radiométricas

c

hQ

)(c

hQ

LM

E

MAlbedo ohemisferic

E

L

diretodifusototal EEE

zerficie EE cos0sup

Radiação Eletro-Magnética: Interações com a Superfície

trari

i

tr

i

a

i

r

i

i

1

1

Radiação Eletro-Magnética: Medidas Radiométricas

tt

t EL

ptp

p EL

pt EE

pp

tt

t

t

p

p LLLL

pp

ttp

p

tt V

V

L

L

Comprimento de Onda (nm)

400 800 1200 1600 2000 2400

Ref

lect

ânci

a

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8SoloVeg.

Ve

rme

lho

NIR

SW

IR

Comportamento Espectral de Alvos

BRDF Especular

Espalhamento volumétricoReflectância de folha - veg

Superfície rugosa (água)“sunglint”

Vazios - sombras

Bi-Directional Reflectance Distribution Function (BRDF)

Bi-Directional Reflectance Distribution Function (BRDF)

Bi-Directional Reflectance Distribution Function (BRDF)

Bi-Directional Reflectance Distribution Function (BRDF)

Backscatterview zenith angle

Forward scatterview zenith angle

BRDFNa dir

N

S

W Erange of solar zenith angles

2330 km swath

descending orbit MODIS-AM

Increasing pixel size with view angle

2s°

2v°2v°

sun

)ï Ângulo de visada do sensor varia +/- 55o

ï Ângulo zenital solar pode variar até 20o ao longo da imagem

ï Ângulo zenital solar varia com a latitude e dia do ano

Considerações Angulares…Considerações Angulares…

Considerações Angulares…Considerações Angulares…

0° 15 ° 30 ° 45 ° (scan angle)

250 m

250 m

270 m 260 m

350 m

285 m

610 m

380 m

alongtrack

crosstrackdescending orbit

MODIS-AM

-45 -30 -15 0 15 30 450.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

VIEW ANGLE

RE

FL

EC

TA

NC

E F

AC

TO

R

red 250 red MODIS

NIR 250 NIR MODIS

Aerosol, gases, moléculas

Substrato

Dossel

Atmosfera

Nuvens

Sensoriamento Remoto: “Problemas...”

zexo

sensoraparente E

L

cos

SuperfícieSuperfície

20 km

2-3 km

8 kmOO22, CO, CO22,,

GasesGasesTraTraçosços

Moléculas (Espalhamento Moléculas (Espalhamento RayleighRayleigh))

HH22O, AerossólsO, Aerossóls

TroposféricosTroposféricos

Ozone, AerossólsOzone, AerossólsEstratosféricosEstratosféricos

Poeira do Sahara sobre as Ilhas CanáriasSeaWiFS (Março, 1998)

Plumas de Fumaça no Mexico SeaWiFS (Junho, 1998)

A distribuição da energia solar na superfície terrestre é influenciada por:

• espalhamento atmosférico por moléculas e particulados,

• absorção gasosa (7 gases na região de 0.4 a 2.5 µm)– Vapor d’água (H2O), – Dióxido de carbono (CO2), – Ozônio (O3),– Óxido nitroso (N2O), – Monóxido de carbono (CO), – Metano (CH4), e

– Oxigênio (O2)

Efeitos Atmosféricos

Absorção por Vapor D´água

• Fortes bandas de absorção em 1.45 e 1.95 µm completamente atenuam a energia solar e faz com estes comprimentos de ondas não tenham utilidade

para estudos da superfície terrestre a partir do espaço. • Absorções por vapor d´água também causam um impacto significativo no

infra-vermelho próximo. – O sensor AVHRR é o mais severamente afetado por vapor d´água devido à uma

banda no intervalo de 0.725 a 1.1 µm.– Os sensores Landsat TM e o SPOT-HRV, os quais possuem bandas em 0.76 -

0.90 µm e 0.79 - 0.89 µm, respectivamente, minimizam substancialmente os problemas relacionados às absorções secundárias próximas à 0.7 e 0.9 µm.

• O sensor MODIS consegue evitar completamente os problemas com vapor d´água em função da banda NIR estar posicionada na região de 0.841 a 0.876 µm (evitando até mesmo pequenas feições de absorção em 0.835 µm).

Espalhamento Atmosférico

• Espalhamento molecular (Rayleigh) é fortemente dependente do comprimento de onda:– Mais forte quanto menor o comprimento de onda, – Responsável pela radiância difusa da atmosfera. – Quanto mais névoa (atmosfera turbida), mais forte será o

componente difuso (sky illumination component). • O espalhamento na atmosfera cria um 'path radiance' que aumenta o

sinal que chega até o sensor. • O espalhamento é função do tamanho das partículas em relação ao

comprimento de onda:

• Onde r é o raio dos elementos espalhantes.

r

q2

Tipos de Espalhamento

– Se q<1, espalhamento Rayleigh. – Se 1 < q < 2, há uma transição do espalhamento Rayleigh para o Mie. – Quanto maior o comprimento de onda, menor será o efeito do espalhamento atmosférico.

• Espalhamento Rayleigh envolve moléculas com diâmetros muito menores que a radiação incidente. Variações são causadas principalmente por flutuações de densidade na atmosfera (moléculas). (Predomínio do azul no céu limpo e do laranja e vermelho ao entardecer).

• Espalhamento Mie envolve partículas com diâmetros próximos aos comprimentos de onda da radiação solar incidente (pequenas gotas de água e poeira). Tipo de espalhamento encontrado quando o céu está ligeiramente nublado. Influencia comprimentos de onda mais longos.

• Espalhamento não-seletivo envolve partículas com diâmetros algumas vezes maiores que os comprimentos de onda da radiação incidente (grandes gotas de água, nuvens e neblina). Tal espalhamento faz com que comprimentos de onda do visível e infra-vermelho sejam espalhados com a mesma eficiência, resultando assim na cor

“esbranquiçada” do céu.

Atenuação

• Atenuação se refere tanto aos processos de absorção quanto espalhamento da atmosfera. O efeito é uma redução geral nas propriedades transmissivas da atmosfera.

• Coeficiente de extinção (ext) : relaciona-se com a transmitânicia () através:

• Assim, uma unidade de optical thickness corresponde à uma transmitância de ~0.37.

exo

erfície

E

EoTransmissã sup

exo

erfície

E

ET sup zexoerfície EE cos*sup

)exp( extT

)*exp(0 AOTmEciaTransmitân

)*exp(0 mEciaTransmitân ext

• O efeito da atmosfera na resposta Visível e NIR para alvos da superfície depende da influência (contribuição) relativa da atenuação e "path radiance".

• Para cada comprimento de onda há uma "reflectância crítica" que parece não ser influenciada pela atmosfera…

• A atmosfera tende a tornar superfícies escuras mais brilhantes e superfícies claras mais escuras.

Efeitos Combinados da Atmosfera…

• A atmosfera simultaneamente reduz o sinal refletido pela superfície através de uma função de atenuação dependente do comprimento de onda (atenuação), e adiciona um “sinal atmosférico”, conhecido como 'upward path' (sky) radiance.

• Dependendo do comprimento de onda e do brilho da superfície, bem como da turbidez atmosférica, o sinal que chega até o sensor pode ser menor, maior ou sem alteração em relação ao sinal da superfície.

• Para uma superfície escura, a atenuação atmosférica será mínima, mas a contribuição do “path radiance” pode exceder em muito o sinal da superfície (principalmente para comprimentos de onda menores).

Correções para Gases e Moléculas

• O efeito do espalhamento molecular sobre o “upward path radiance” pode ser corrigido bastante facilmente, haja vista que as concentrações moleculares variam com a altitude.

• Absorções gasosas também podem ser corrigidas com relativa facilidade (água e ozônio), principalmente se o sensor não tiver bandas coincidentes com as principais zonas de absorção.

Correção para Aerossóis• A correção para os efeitos de aerossóis é bastante complexa devido à

alta variabilidade na reflectância da superfície e a dificuldade em se distinguir entre a reflexão da radiação solar pela superfície e o retro-espalhamento causado pela camada de aerosol.

• Correção para aerossol necessita: (1) aerosol optical thickness, (2) phase function, e (3) single scattering albedo.

• Métodos de correção são normalmente baseados na obtenção de um parâmetro a partir de dados orbitais (optical thickness ou path radiance) e computação de outros parâmetros com base em modelos

empíricos.

Nuvens

• Objetivo: mascarar a contaminação de nuvens na determinação de propriedades da superfície.

• No caso de nuvens de grandes dimensões, a distinção entre cenas “limpas” e contaminadas por nuvens é bastante simples.

• No caso de nuvens finas (ex. cirrus) e subpixel nuvens, a distinção é difícil.

• Dois limiares usados para separar nuvens de cenas limpas: brilho e emitância em ondas longas (ou combinação de ambos). Há também a comparação com dados das semanas anteriores (“mais escuros” e “quentes).

• A acuidade e sensibilidade dos algorítimos para detecção de nuvens são dependentes da resolução espacial do sensor.

False Color(NIR, R, G)

Blue(0.469 m)

Red(0.645 m)

NIR(0.858 m)

MIR1(1.64 m)

MIR2(2.13 m)

Correção Total (Rayleigh + Aerossols)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700 800 900

Ref

lect

ance

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

TOA

Rayleigh/O3

0.275

0.520

0.706

Tropical Forest

Wavelength (m)

0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4

Ref

lect

ance

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4a(.67)=0.14

a(.67)=1.10

a(.67)=1.91

Over PlumeRed

NIR

MIR

Aumento Na fumaça

Espectro Vegetação Densa (Rayleigh/OEspectro Vegetação Densa (Rayleigh/O33))