sensoriamento remoto aplicado a ecologia: fundamentos

Sensoriamento remoto Sensoriamento remoto aplicado a ecologia: aplicado a ecologia:

fundamentos.fundamentos.

SENSORIAMENTO REMOTO:

é a ciência que estuda as propriedades físicas e químicas dos alvos da superfície terrestre, sem ter contato físico com os mesmos, baseando-se somente na interação destes alvos com a radiação eletromagnética.

Esta interação é medida pela sua: reflectância, emitância ou retroespalhamento, e pode ser imageada ou não. Quando imageada, interpreta-se esta imagem a partir do comportamento espectral que cada alvo apresenta, em cada faixa espectral.

As faixas espectrais mais comuns são as do óptico - reflectância, do termal - emitância e das microondas - retroespalhamento.

ReflectânciaReflectância

Propriedade fPropriedade fíísica do alvo de refletir a sica do alvo de refletir a radiaradiaçção eletromagnão eletromagnéética (REM) aptica (REM) apóós a s a interainteraçção.ão.

VisVisíível vel –– faixas dofaixas do azul, verde e vermelhoazul, verde e vermelho

Não visNão visíível vel –– infravermelho prinfravermelho próóximo e mximo e méédiodio

RaiosGama Raios-X

RaiosUltravioleta

RaiosInfravermelho

Radar FM TV

ondascurtas

AM

Visível

400 500 600 700

10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 102 104 108

Comprimento de onda (nm)

Comprimento de onda (nm)

RaiosGama Raios-X

RaiosUltravioleta

RaiosInfravermelho

Radar FM TV

ondascurtas

AM

Visível

400 500 600 700

10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 102 104 108

Comprimento de onda (nm)

Comprimento de onda (nm)

Espectro Eletromagnético

RadiometriaRadiometria e Imagens de Sate Imagens de Satéélitelite

RadiometriaRadiometria: registro da intera: registro da interaçção da REM ão da REM com cada material ou alvo na forma de com cada material ou alvo na forma de curvas curvas = assinatura espectral= assinatura espectral

Imagens de SatImagens de Satéélitelite: registro das : registro das assinaturas espectrais dos materiais ou assinaturas espectrais dos materiais ou alvos da superfalvos da superfíície da Terra na forma de cie da Terra na forma de imagensimagens

RadiometriaRadiometria

Absolute Reflectance

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

350 550 750 950

Wavelength (nm)

Ref

lect

ance

Lado mais liso

Lado mais rugoso

1.1 − Lado mais liso 1.2 − Lado mais rugoso:

Alga vermelha(Rodofícea)

Red algae

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

350 550 750 950

Wavelength (nm)

Refle

ctan

ce (%

)

OsmundariaGracilaria caudataSpyridiaGracilaria mamilarisCentroceras clavulatumDichotomaria marginataDichotomaria oblongataSolieriaGimnogongrus grifthiseBostrychia radicansGracilaria domingensisChondrophycus papillosusHypnea musciformisCoraline algae (probably Jania)Laurencia filiformis

Green algae

0

10

20

30

40

50

60

350 550 750 950

Wavelength (nm)

Ref

lect

ance Codium isthnocladium

Caulerpa racemosa

Ulva fasciata

Halimeda cuneata

Blue green alga

0

2

4

6

8

10

12

14

16

350 550 750 950

Wavelength (nm)

Ref

lect

ance

(%)

Cyanobacteria

Brown algae

0

5

10

15

20

25

30

35

40

350 550 750 950

Wavelength (nm)

Refle

ctan

ce (%

)

Padina gymnosporaSargassumZonaria tournefortiiDictyota dichotomaDictyota cervicornis

Reflectância Absoluta de macrófitas

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

Comprimento de Onda

Ref

lect

ânci

a A

bsol

uta

E. crassipesEichornnia azureaP. stratiotesH. reniformisN. mexicanaL. laevigatumS. molestaM. brasiliensisC. beckettiEc. bletreriEg. densaHy. polysperma

Resposta espectral média de Indivíduos e Folhas de Pistia stratiotes

0

10

20

30

40

50

60

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

Comprimento de onda (nm)

Ref

lect

ânci

a (%

)

Indivíduos

Folhas

Assinatura espectral obtida com o Ocean Optics USB2000

Imagens de SatImagens de Satéélitelite

Sistemas PassivosSistemas PassivosDependentes de fontes naturais de REMDependentes de fontes naturais de REM

óópticos pticos –– obedece obedece àà leis da leis da óópticapticavisvisíível, infravermelho prvel, infravermelho próóximo e mximo e méédio dio ReflectânciaReflectância

não não óópticos pticos –– obedece a outras leisobedece a outras leisMicroondas Microondas Temperatura de BrilhoTemperatura de BrilhoTermal Termal Emitância Emitância TemperaturaTemperatura

Sistemas AtivosSistemas AtivosGerador de sua prGerador de sua próópria fonte de REMpria fonte de REM

não não óópticospticosMicroondas Microondas ííndice de espalhamento (ndice de espalhamento (retroespalhamentoretroespalhamento))

RESOLUÇÃO ESPACIALTamanho da área mínima no terreno correspondente a cada cela naimagem (pixel). Pode variar de 50cm a 1100m - conforme o sistemasensor.

RESOLUÇÃO ESPECTRALNúmero de faixas espectrais de cada sistema sensor tem à bordoda plataforma. Pode variar de 1 faixa até o limite tecnológico– conforme a plataforma.

RESOLUÇÃO RADIOMÉTRICANúmero de níveis de Energia que o sistema é capaz de distinguir. O Número Digital (ND) pode variar de 6 bits (26 = 64 níveis de energia), 8 bits (256) e 12 bits (4096) - conforme o sistema sensor.

RESOLUÇÃO TEMPORALO tempo entre uma tomada de dados e outra. Pode ser repetitíveou programável - conforme a plataforma.

RESOLUÇÃO ESPACIAL

Tamanho da área mínima no terreno correspondente a cada cela na imagem (pixel).

Pode variar de 50cm a 1100m

Exemplos mais comuns:WORLDVIEW-2 – 0,50x0,50m IKONOS - 4x4m (multiespectral) e 1x1m (Pan)ALOS – 10x10m (Avnir) e 2,5x2,5m (Prism) SPOT - 20x20m (multi) e 2,5x2,5m (Pan)ASTER - 15x15mCBERS - 20x20m (CCD) e 2,5x2,5m (Pan)LANDSAT - 30x30m (ETM)NOAA – 1100x1100m (AVHRR)

RESOLUÇÃO ESPECTRAL

Número de faixas espectrais de cada sistema sensor tem à bordoda plataforma.

• Pode variar de 1 faixa até o limite tecnológico

• Faixas do visível (azul, verde e vermelho)

• Faixas do infravermelho (próximo, médio e termal)

• Faixas de microondas (bandas C, L e P)

Espectro Eletromagnético

Side view of Source

Area, A

Projected Source Area =

Normal to Surface Radiant flux, Φ

Solid Angle, Ω

θ

L λ

Concept of Radiance

A Cos θ θ Ω

A Cos θ

O que o detector registra é a Radiância (L)

L = ( ρ E ζ ) seno α

ρ=reflectânciado alvo

E=irradiância

ζ=transmitância

α=ângulo de elevação solar

0

10

20

30

40

50

60

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6

Comprimento de Onda (um)

Ref

ectâ

ncia

(%)

vegetação -herbáciovegetação -arbóreoágua turva

água limpa

solo argiloso

solo arenoso

µµ µ

0

127

255

Brightness value range

(typically 8 bit)Associated gray-scale

10 15 17 20

15 16 18 21

17 1820

22

1820

22 24

12

3

4

1 5432Columns ( j)

Bands (k )

1

2

3

4

X axis Picture element (pixel) at location Line 4, Column 4, in Band 1 has a Brightness Value of 24, i.e., BV4,4,1 = 24 .

black

gray

white21

23

22

25

Lines or rows (i)

RESOLUÇÃO RADIOMÉTRICA

RESOLUÇÃO TEMPORAL

Considerar se seu problema ecológico é compatível como tipo de repetição:

- Repetição automática

- Repetição programada

Os Os sensoressensores podempodem ser PASSIVOS (SOL ser PASSIVOS (SOL ouou TERRA TERRA comocomo fontefonte de de energiaenergia))

LANDSAT, ASTER, MODIS, IKONOS e WorldView2 (LANDSAT, ASTER, MODIS, IKONOS e WorldView2 (americanosamericanos))SPOT (SPOT (francêsfrancês))CBERS (CBERS (satsatéélitelite sinosino--brasileirobrasileiro))ALOSALOS--AvnirAvnir e Prism (e Prism (japonêsjaponês))

Os Os sensoressensores podempodem ser ATIVOS (ser ATIVOS (usamusam fontesfontes ARTIFICIAIS)ARTIFICIAIS)

ERS ERS –– bandabanda C (C (europeueuropeu))JERS JERS –– bandabanda L (L (japonesjapones))RADARSAT RADARSAT –– bandabanda C (C (canadensecanadense))ALOSALOS--PalsarPalsar ((bandabanda L L polarizapolarizaççãoão: : hhhh, vv, , vv, vhvh, , hvhv))FuturoFuturo prpróóximoximo –– bandabanda PP

Solar irradiance

Reflectance from study area,

Various Paths of Satellite Received Radiance

Diffuse sky irradiance

Total radiance at the sensor

L L

L

Reflectance from neighboring area,

1

2

3

Remote sensor

detector

Atmosphere

5

4 1,3,5

θ

θ

E

L

90Þ

θ0T

θv T

0

0

v

p T

S

I

λ nr λ r

Ed

O processo de sensoriamento remoto envolve 7 etapas, sendo elas : Fonte de energia ou iluminação (A); Radiação e atmosfera (B); Interação com o alvo (C); Registro da energia pelo sensor (D); Transmissão, recepção e processamento (E); Interpretação e análise (F); e Aplicação (G).

Largura das órbitas do CBERS:

CCD 113kmIRMSS 120kmWFI 890km

Satélite CBERS

Imagem CBERSPixel 20x20m Florianópolis

ImagemSistema WFISatélite CBERS

Absolute Reflectance

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

350 390 430 470 510 550 590 630 670 710 750 790 830 870 910 950 990

Wavelength (nm)

Ref

lect

ance

Lado mais liso

Lado mais rugoso

Faixas dos Satélites CBERS e MERIS

CCD1 CCD2 CCD3

* * *

Assinatura espectral de uma alga vermelha (Rodolito)

* * *

Intensidade Intensidade MMéédia na dia na

Faixa Faixa espectralespectral

Reflectância Absoluta de macrófitas

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

Comprimento de Onda

Ref

lect

ânci

a A

bsol

uta

Ei. crassipesEi. azureaP. stratiotesH. reniformisN. mexicanaL. laevigatumS. molestaM. brasiliensisC. beckettiEc. bletreriEg. densaHy. polysperma

Picos de Picos de reflectância em reflectância em

cada faixacada faixa

Reflectância Absoluta de macrófitas

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

Comprimento de Onda

Ref

lect

ânci

a A

bsol

uta

Ei. crassipesEi. azureaP. stratiotesH. reniformisN. mexicanaL. laevigatumS. molestaM. brasiliensisC. beckettiEc. bletreriEg. densaHy. polysperma

Reflectância média nas Faixas espectrais

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Azul Verde Vermelho IVP

Faixas

Ref

lect

ânci

a ab

solu

taEi. crassipesEi. azureaP. stratiotesS. molestaH. reniformisN. mexicanaM. brasiliensisL. laevigatumEg. DensaC. beckettiEc. BletreriHy. Polysperma

Reflectância média nas Faixas espectrais

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Azul Verde Vermelho IVP

Faixas

Ref

lect

ânci

a ab

solu

ta

Ei. crassipesEi. azureaP. stratiotesS. molestaH. reniformisN. mexicanaM. brasiliensisL. laevigatumEg. DensaC. beckettiEc. BletreriHy. Polysperma

Reflectância Absoluta de macrófitas

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

Comprimento de Onda

Ref

lect

ânci

a A

bsol

uta

E. crassipesEichornnia azureaP. stratiotesH. reniformisN. mexicanaL. laevigatumS. molestaM. brasiliensisC. beckettiEc. bletreriEg. densaHy. polysperma

Faixas espectraisdo CBERS e do IKONOS