Correção atmosférica de recorte de imagem do RapidEye com ... ?· Correção atmosférica de recorte…

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<ul><li><p>Correo atmosfrica de recorte de imagem do RapidEye com diferentes modelosatmosfricos e estimativas de visibilidades no 6S e Atcor</p><p>Igor Brum Rubim1Raphael Corra de Souza Coelho 2</p><p>Rafael Silva de Barros 2Carla Bernadete Madureira Cruz 2 </p><p>1 Instituto Nacional de Colonizao e Reforma Agrria - INCRA SR-07/T3Rua da Conceio, n 69, 24 andar, centro CEP Rio de Janeiro RJ, Brasil</p><p>igor.brum@rjo.incra.gov.br</p><p>2 Universidade Federal do Rio de Janeiro U.F.RJ./C.C.M.N./IGeoAv. Athos da Silveira Ramos, 274 21941-916 Rio de Janeiro RJ, Brasil</p><p>{carlamad,barros.rafael}@gmail.comraphaelcoelhorj@hotmail.com</p><p>Abstract. Orbital images pre processing is essential for the thematic mapping. The atmospheric correction is aprimordial step for file preparing before images processing. There are two ways to do atmospheric correction:Dark Object Subtration (DOS) and Radiative Transfer. In the second way, two methods are more frequentlyused: Moderate Spectral Resolution Atmospheric Transmitance Algorithm (Modtran) and the Simulation of theSatellite Signal in the Solar Spectrum (5S). These mentioned models are employed in the relatings softwares:Atcor and 6S (Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum). This paper present differentatmospheric corrections of an image cut of RapidEye. Two patterns Atmospheric Model and Visibility weremodified to evaluate the best adjust of atmospheric correction executed in 6S. An atmospheric correction hasbeen done to confront with those made with 6S. The spectral behavior of targets vegetation, water and soilwere analysed to find the correction's quality, comparing with the information finded in the literature. Thepatterns collected were squares of 15m. These patterns present a mean of 9 pixels with the Surface Reflectance.The targets have 27 pixels 3 patterns per target to evaluate the atmospheric correction for each adjust. TheVisibilities chosen were 20, 25, 30, 35 and 40km. The Atmospheric Models chosen were Midlatitudes Winterand Midlatitudes Summer. The atmospheric correction done at Atcor employed 30km for Visibility andMidlatitude Summer for Atmospheric Correction.</p><p>Palavras-chave: remote sensing, image processing, radiative transfer model, spectral signature; sensoriamentoremote, processamento de imagem, modelo de transferncia radiativa, assinatura espectral.</p><p>Anais XVII Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Joo Pessoa-PB, Brasil, 25 a 29 de abril de 2015, INPE</p><p>1447</p></li><li><p>1. IntroduoO Processamento Digital de Imagens avanou significativamente concomitantemente</p><p>com os produtos de Sensoriamento Remoto nas ltimas dcadas. Para o mapeamento temtico importante considerar os principais tipos de processos. possvel apontar as correesgeomtricas e radiomtricas, o reconhecimento de padres utilizando estatsticas inferenciaise rvores de deciso como alguns dos principais tipos de Processamento Digital de Imagens(JENSEN, 2009).</p><p>Entretanto, os especialistas em mapeamento utilizam conjuntos diferentes deprogramas para realizar seu trabalho. Esse fato em si no problemtico. Mas, a programaode cada fabricante/desenvolvedor de software e o ajuste dado em cada etapa da gerao demapas podem gerar diferenas significativas em mapeamentos que deveriam ser semelhantes.No final do processo de produo de mapas a publicao interessante para divulgao dainformao (ARVOR et al., 2013).</p><p>As imagens de Sensores Remotos Orbitais captam a energia da RadiaoEletromagntica. O ideal, para se registrar a imagem, que essa energia seja igual tanto nonvel da superfcie terrestre, quando refletida/emitida pelos alvos/objetos, quanto aquela quechega no sensor orbital. Entretanto, as interaes entre matria na atmosfera e o fluxoeletromagntico, emitido/refletido pelos objetos situados sobre a superfcie terrestre, impedemque isso acontea. A matria na atmosfera vapor dgua, poeira/fumaa e gases podemabsorver o fluxo de energia (absoro); refletirem para o sensor fluxos de energia que noprovm do alvo (reflexo); alterar a trajetria do fluxo de energia (refrao) emitido pelo alvo.Essas interferncias adicionam e subtraem energia ao que deveria ser registrado pelo sensororbital. fundamental que essa interferncia seja removida, ou minimizada, pelo menos(JENSEN, 2009). </p><p>Sabendo das interferncias que a atmosfera promove no fluxo de energiaeletromagntica refletido pelos alvos/objetos sobre a superfcie terrestre, existem duasabordagens que buscam eliminar/minimizar esses efeitos. O primeiro conhecido porCorreo Atmosfrica pelo Pixel Escuro Dark Object Subtraction (DOS). Esse mtodoparte do princpio que alguns pixels registrados pelo sensor devem ter valor zero (0) emqualquer banda espectral. Outra forma de minimizar/eliminar as interferncias atmosfricasatua sobre a radincia aparente (aquela que o sensor orbital registra) ou Fator de ReflectnciaBidirecional (FRB) aparente. O FRB uma relao entre a Radincia e a Irradincia doalvo. Dois modelos de transferncia radiativa so utilizados para resgatar valores originais ouprximos de Reflectncia de Superfcie dos alvos: o Moderate Spectral ResolutionAtmospheric Transmitance Algorithm (Modtran) e o Simulation of the Satellite Signal in theSolar Spectrum (5S). Os modelos mencionados esto implementados nos respectivosprogramas: Atcor e 6S (Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum)(VERMOTE et al., 1997). Essa forma de correo atmosfrica considera ModelosAtmosfricos relativos s concentraes de vapor dgua, O3, profundidade ptica, tipo econcentrao de aerossis. Nesses mtodos a Absoro e Reflexo, geradas pela atmosferacomo interferncia na quantidade de energia que chega ao sensor orbital, so consideradaspara realizar a correo atmosfrica (PONZONI et al., 2012).</p><p>A duas formas de correo atmosfrica DOS e Transferncia Radiativa devemexpressar a Reflectncia Superfcie (PONZONI et al. 2012) ou Espectral (JENSEN, 2009),em porcentagem. A Reflectncia de Superfcie provm da Reflectncia Hemisfrica ou FRBaparente (PONZONI et al. 2012). Esta por sua vez, calculada a partir da Radincia aparente,aquela registrada nos sensores orbitais como Nmeros Digitais (ND). Os mtodos de correoatmosfrica transformam os ND em valores de radincia e calculam a reflectncia desuperfcie a partir das informaes fornecidas conforme o modelo. Com a ReflectnciaAparente os alvos podem ser caracterizados conforme seu comportamento espectral. O</p><p>Anais XVII Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Joo Pessoa-PB, Brasil, 25 a 29 de abril de 2015, INPE</p><p>1448</p></li><li><p>comportamento ou assinatura espectral do alvo a quantidade de energia que o mesmo refleteem cada banda espectral. Com isso, pode-se construir grficos que caracterizam cada tipo dealvo observado sobre a superfcie terrestre (PONZONI et al., 2012).</p><p>Antunes et al. (2012) afirmam que a correo atmosfrica para o sensor AVNIR-2 dosatlite ALOS, feita no programa 6S, apresentou diferena significativa entre a imagemcorrigida e original. Estatisticamente, a diferena foi significativa apenas para a banda do azul(420 500nm). Assim, justifica-se a correo atmosfrica, pois para cada imagem umresultado diferente poder ocorrer devido s diferenas nas condies atmosfricas e nageometria de iluminao e visada. A correo atmosfrica permitir a obteno da respostaespectral dos alvos sem a interferncia atmosfrica (ANTUNES et al., 2012).</p><p>O Decreto Presidencial 7.830/12 instituiu o Programa de Regularizao Ambiental.Esta ao do governo federal almeja a ocupao sustentvel das reas rurais no pas. Oprograma, atravs do Cadastro Ambiental Rural (CAR), produzir dados e informaesgeoespaciais para apoiar a gesto ambiental nacional. O governo federal considera queinformaes atuais de cobertura vegetal natural so essenciais para o sucesso do Programa. Agerao dessa informao necessita de imagens de satlite, fundamentalmente. Alm dacobertura vegetal, o uso do solo nos imveis rurais e sua localizao tambm so informaesque podem ser extradas de imagens de satlite. Considerando a importncia das imagensorbitais, o Ministrio do Meio Ambiente utilizar e disponibilizar imagens da constelaoRapidEye para apoiar a gerao das informaes geoespaciais temticas necessrias aoPrograma de Regularizao Ambiental.</p><p>Os produtos da constelao RapidEye so fornecidos ao consumidor pela empresaBlackbridge. Suas especificaes esto descritas na tabela 1.</p><p>Tabela 1: Especificaes da Constelao RapidEye.</p><p>Conforme o fabricante, RapidEye um sistema com cinco satlites independentes comsensores idnticos, localizados na mesma rbita. Imagens ortorretificadas so fornecidas comtamanho 25x25km, no Datum WGS84, em coordenadas projetadas UTM. Embora asinformaes sejam coletadas originalmente com resoluo radiomtrica de 12bits, o produto fornecido em arquivos de 16bits. Os valores dos pixels representam valores de radinciaajustados por fator de escala igual a 0,01. Os valores observados nos pixels esto em unidadesde radincia W m-2 sr-1 (Watts por metro quadrado, por esterradianos) multiplicados por100.</p><p>Antunes et al. (2014) afirmam que a efetiva utilizao das imagens RapidEyedepende de uma avaliao das caractersticas espectrais do sensor. Por isso, necessriorealizar a correo atmosfrica dos produtos RapidEye. Pimenta et al. (2013) demonstram a</p><p>Anais XVII Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Joo Pessoa-PB, Brasil, 25 a 29 de abril de 2015, INPE</p><p>1449</p></li><li><p>diferena entre imagens originais e imagens com correo atmosfrica. Essa concluso seconfirma quando se identifica uma maior aproximao curva espectral esperada para asdiferentes feies selecionadas, quando examinadas simultaneamente com aquelasconsagradas pela literatura preexistente.</p><p>Este trabalho tem como objetivo comparar os resultados de correes atmosfricasproduzidas no programa 6S, com Modelos Atmosfricos Inverno e Vero nas LatitudesMdias, e Visibilidades 20Km, 25Km, 30Km, 35Km e 40Km. Com isso, 8 arquivos de recortede cena RapidEye sero gerados nesse processo.</p><p>2. Materiais e MtodosO recorte de cena RapidEye 2328626_2011-09-04T134918_RE5_3A-</p><p>NAC_7292550_148314 localizado no municpio de Silva Jardim, Rio de Janeiro o objetode correo nesse trabalho. A figura 1 indica a localizao da rea de trabalho. Os parmetrosajustados para gerarem os produtos deste trabalho esto na tabela 2. Aqueles que foramalterados esto destacados.</p><p>Figura 1: Mapa de localizao da rea de estudo.</p><p>Anais XVII Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Joo Pessoa-PB, Brasil, 25 a 29 de abril de 2015, INPE</p><p>1450</p></li><li><p>Tabela 2: Parmetro Ajustados no 6S para correo atmosfrica.</p><p>Optou-se por variar a Visibilidade para verificar se h algum ajuste nesse parmetroque gera melhores resultados para Reflectncia de Superfcie. A variao no ModeloAtmosfrico por causa da indicao encontrada no manual do FLAASH (2014), que indica aVero nas Latitudes Mdias, enquanto que a data da imagem do inverno no hemisfriosul. Por isso, faz-se necessrio testar a indicao da literatura.</p><p>Uma correo atmosfrica da mesma rea foi produzida com o programa ATCOR. OModelo Atmosfrico utilizado foi Vero nas Latitudes Mdias. O Modelo de Aerossisutilizado foi o Rural. A Visibilidade utilizada foi de 30Km. Em anlise inicial, essaVisibilidade mostrou melhores resultados no 6S.</p><p>O programa 6S opera com arquivos em formato RAW. A decomposio em arquivosde bandas espectrais separadas e converso de formatos foram realizas no Spring 5.2.4.Conforme o programa 6S gerava as bandas espectrais corrigidas, os arquivos eram importadospara o Spring e exportados no formato TIF. A unio dos arquivos das bandas foi feito noQGIS. A verificao prvia do resultado era observada com a ferramenta Value Tool. Essaferramenta mostra o valor do pixel em cada banda espectral, indicando assim a assinaturaespectral dos alvos escolhidos.</p><p>Um arquivo vetorial em formato shapefile foi criado no QGIS contendo quadradoscom quinze metros de lado. Cada quadrado representa uma amostra de nove pixels. Com aferramenta Estatsticas por Zonas as mdias dos valores de Reflectncia de Superfcie foramcoletadas. Trs amostras representativas de Vegetao, gua e Solo Exposto foram utilizadas.Assim, tem-se um valor mdio de Reflectncia de Superfcie proveniente de vinte e setepixels para cada tipo de alvo.</p><p>3. Resultados e DiscussoA seguir, esto representadas na tabela 3 os resultados ordenados por Alvo.</p><p>Parmetro AjusteCondies GeomtricasMs 09Dia 04Hora (decimal) 13,012500</p><p>Modelo Atmosfrico</p><p>Continental</p><p>Visibilidade (Km)</p><p>Altitude Mdia (Km) 0,047</p><p>Local do Sensor</p><p>61 a 65-4</p><p>-10</p><p>4.000.000</p><p>RapidEye (8)</p><p>Longitude Latitude (dec.) -42.36250833 -22.58848333Mdia das latitudes no Vero (2) e Inverno (3)</p><p>Modelo de Aerossois20 25 30 </p><p>35 40</p><p>A bordo do satlite</p><p>iwaveitypegainsetwriteoptnscalentpixels</p><p>Anais XVII Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Joo Pessoa-PB, Brasil, 25 a 29 de abril de 2015, INPE</p><p>1451</p></li><li><p>Tabela 3: Mdia das Reflectncias de Superfcie geradas pelo 6S e Atcor para correo atmosfrica.</p><p>Investigando alguns trabalhos publicados, montou-se uma tabela contendo variaesde reflectncia de superfcie encontradas. A tabela 4 apresenta os dados mencionados:</p><p>Tabela 4: Mdia das Reflectncias de Superfcie encontrados em alguns trabalhos publicados.</p><p>Anais XVII Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Joo Pessoa-PB, Brasil, 25 a 29 de abril de 2015, INPE</p><p>1452</p></li><li><p>Observando os dados deste trabalho (tabela 3), possvel dizer que no h diferenassignificativas entre os ajustes e programas utilizados, de forma geral. Entretanto, importanteapontar que a maior diferena encontrada foi de 6% entre os ajustes de visibilidade 35 e40Km para banda espectral 5 do alvo solo, dos programas 6S (43%) e Atcor (49%).Comparando esses valores de reflectncia de superfcie com aqueles encontrados na literaturamencionada na Tabela 4, vemos que so valores elevados para Reflectncia de Superfcie desolo. Outra informao notria que para o alvo solo no houve diferena em todos osvalores das bandas 1, 2 e 3, dos dados produzidos pelo 6S. O mesmo aconteceu com o alvovegetao para as bandas 1 e 3. Para o alvo vegetao, no foram encontradas variaesnos valores de Reflectncia de Superfcie para Modelos Atmosfricos iguais no 6S nas bandas1, 2, 3 e 4, exceto na visibilidade de 20Km, com Modelo Atmosfrico Vero nas LatitudesMdias. Fato semelhante ocorrido para o alvo solo nas bandas 1, 2 e 3. Para o alvo guaisso ocorreu apenas nas bandas 2 e 4 com Modelo Atmosfrico Inverno nas LatitudesMdias. Para ilustrar alguns dos resultados de correo atmosfrica realizada no 6S, a figura2 apresenta o grfico do comportamento espectral da vegetao para as diferentesVisibilidades, com Modelo Atmosfrico Inverno nas Latitudes Mdias.</p><p>Figura 2: Grfico das assinaturas espectrais da vegetao gerados pelo 6S.</p><p>4. ConclusesAtravs da anlise dos resultados que foram comparados com valores de Reflectncia de</p><p>Superfcie encontrados na literatura atual, pode-se dizer que a correo atmosfrica daimagem RapidEye realizada pelo 6S atende as necessidades do pr-processamento digital deimagens orbitais. Os resultados gerados pela correo atmosfrica no 6S no apresentaramdiferenas significativas com aquela processada pelo Atcor. </p><p>AgradecimentosAgradecemos ao Prof. Dr. Mauro A. H. Antunes (U.F.R.R.J.) por toda colaborao, nos</p><p>ajudando no processo de correo atmosfrica pelo 6S e esclarecendo dvidas.</p><p>1 2 3 4 50</p><p>510152025303540</p><p>Assinatura Espectral da VegetaoMdia das Latitudes de Inverno e Visibilidade em Km</p><p>2025303540</p><p>Banda</p><p>Refle</p><p>ctn</p><p>cia </p><p>(%)</p><p>Anais XVII Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Joo Pessoa-PB, Brasil, 25 a 29 de abril de 2015, INPE</p><p>1453</p></li><li><p>Referncias BibliogrficasAntunes, M.A.H.; Debiasi, P.; Siqueira, J.C.S. Avaliao espectral e geomtrica de imagens RapidEye e seupotencial para o mapeamento e monitoramento agrcola e ambiental ISSN: 1808-0936. Revista Brasileira deCartografia. n 66/1, p. 101-109, 2014.</p><p>Antunes, M.A.H.; Debiasi, P.; Costa, A.R.; Gleriani, J.M. 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ISSN: 1808-0936. Revista Brasileira de Cartografia. n 66/2, p 263-270,2014.</p><p>PONZONI, F.J.; SHIMABUKURO, Y.E.; KUPLICH. T.M. Sensoriamento Remoto no Estudo da Vegetao.So Jos dos Campos: Parntese, 2012, 136p.</p><p>PONZONI, F.J; ReZENDE, A.C.P. Caracterizao de estgios sucessionais de vegetao secundria arbrea emAltamira (PA), atravs de dados orbitais. Revista rvore, n.4, v.28, p.535-545, 2004.</p><p>PIMENTA, M.L.F.; MOURA, P.H.F.; CRUZ, C.B.M.; LACERDA, E.R. Estudo das incertezas da definio deparmetros no processo de correo atmosfrica. In: XVI Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto(SBSR), Foz do Iguau, PR, 13 18 de abril 2013. Anais XVI SBSR. So Jos dos Campos: INPE, 2013.</p><p>VERMOTE, E. F.; TANRE, D.; DEUZE, J. L.; HERMAN, M. &amp; MORCRETTE, J. J. Second Simulation of theSatellite Signal in the Solar Spectrum, 6S: an overview. IEEE Trans. Geosc. and Remote Sens. 35: 675-686, 1997.</p><p>VILCHES, T.T.B. 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