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