Nesta página são apresentados alguns conceitos a respeito de Sensoriamento Remoto e de imagens geradas especificamente por sensores orbitais, pois uma das maiores funcionalidades do SPRING está no tratamento destas imagens, através de funções de realce e classificação.
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Processamento de Imagens de RADAR.
Processamento de Imagens de S.R.
A origem do sensoriamento remoto está ligada as experiências de Newton (1822), o qual constatou que um raio luminoso (luz branca), ao atravessar um prisma, o mesmo desdobrava-se num feixe colorido - um espectro de cores.
Desde então os cientistas foram ampliando os seus estudos a respeito de tão fascinante matéria. Verificaram que a luz branca era uma síntese de diferentes tipos de luz, uma espécie de vibração composta, basicamente, de muitas vibrações diferentes. Prosseguindo, descobriram ainda que cada cor decomposta no espectro correspondia a uma temperatura diferente, e que a luz vermelha incidindo sobre um corpo, aquecia-o mais do que a violeta.
Além do vermelho visível, existem radiações invisíveis para os olhos, que passaram a ser ondas, raios ou ainda radiações infravermelhas. Logo depois, uma experiência de Titter revelou outro tipo de radiação: a ultra-violeta. Sempre avançando em seus experimentos os cientistas conseguiram provar que a onda de luz era uma onda eletromagnética, mostrando que a luz visível é apenas uma das muitas diferentes espécies de ondas eletromagnéticas.
Alguns autores colocam a origem do Sensoriamento Remoto ligada ao desenvolvimento de sensores fotográficos, quando as fotografias aéreas eram tiradas por balões.
Fica evidente que o Sensoriamento Remoto é fruto de um esforço multidiciplinar que envolveu e envolve avanços na física, na físico-química, na química, nas biociências e geociências, na computação, na mecânica, etc...
A evolução do sensoriamento remoto está ligada a alguns dos principais eventos abaixo:
DEFINIÇÃO
Uma definição para sensoriamento remoto pode ser: "É a utilização de sensores para aquisição de informações sobre objetos ou fenômenos sem que haja contato direto entre eles"
Sensores : são equipamentos capazes de coletar energia proveniente do objeto, convertê-la em sinal passível de ser registrado e apresentá-lo em forma adequada à extração de informações.
Energia : na grande maioria das vezes refere-se a energia eletromagnética ou radiação eletromagnética.
Um conceito mais específico pode ser: "É o conjunto das atividades relacionadas com a aquisição e a análise de dados de sensores remotos", onde:
Sensores remotos: sistemas fotográficos ou óptico-eletrônicos capazes de detectar e registrar, sob a forma de imagens ou não, o fluxo de energia radiante refletido ou emitido por objetos distantes.
Um fluxo de radiação eletromagnética ao se propagar pelo espaço pode interagir com superfícies ou objetos, sendo por estes refletido, absorvido e mesmo reemitido. As variações que essas interações produzem no fluxo considerado, dependem fortemente das propriedades físico-químicas dos elementos na superfície. Mais a frente discutiremos com mais detalhes as interações da radiação com a matéria.
Tudo na natureza está em constante vibração, emitindo ou modificando ondas eletromagnéticas (energia) e apresentando "pertubações" dos campos magnéticos e gravimétricos da Terra. Todos os instrumentos que captam e transformam essa energia poderiam ser classificados como sensores: rádio, televisão, máquina fotográfica, etc...
Durante a fase de aquisição de dados pelos sensores, podemos distinguir os seguintes elementos básicos: energia radiante, fonte de radiação, objeto (alvo), trajetória e sensor (sistema de imageamento óptico e detector). A figura a seguir apresenta estes elementos e exemplifica os vários caminhos que a radiação eletromagnética pode tomar antes de atingir o sistema sensor.
Uma câmara fotográfica com flash poderia ser tomado como exemplo de um sistema sensor: "quando o sistema da câmara é ativado, o flash é acionado e emite radiação. A radiação flui para o alvo e é refletida deste para o sistema óptico da câmara. Então, a radiação refletida é focalizada sobre o plano do filme, que constitui um detector fotoquímico de radiação. Uma imagem latente do padrão de radiação é formada no filme e depois desenvolvida quimicamente".
Sempre que se realiza trabalho, algum tipo de energia deve ser transferida de um corpo a outro, ou de um local para outro no espaço. De todas as possíveis formas de energia, uma de especial importância ao Sensoriamento Remoto, e a única que não necessita de um meio material para se propagar é a energia radiante ou energia eletromagnética. O exemplo de energia radiante mais familiar e de maior importância é a energia solar, que se propaga pelo espaço vazio desde o Sol até a Terra.
Introdução ao SRA radiação (ondas) eletromagnética é constituída por diversas características físicas (intensidade, comprimento de onda, frequência, energia, polarização, etc...). Entretanto, independente dessas características, todas as ondas eletromagnéticas são essencialmente idênticas, apresentando uma independência com relação à existência ou não de um meio de propagação (propriedade importante deste processo de transferência de energia). Esta independência é fácil de entender pela figura a seguir, o campo elétrico e o campo magnético são perpendiculares entre si e ambos oscilam perpendicularmente à direção de propagação da onda, assim o campo elétrico gera um campo magnético e do campo magnético gera um campo elétrico.
Onde: E = Campo elétrico
M = Campo magnético
A velocidade de propagação da onda eletromagnética no vácuo é a velocidade da luz (3 x 108 m/s). O número de ondas que passa por um ponto do espaço num determinado tempo define a frequência (f) da radiação. A frequência de onda é diretamente proporcional à velocidade de propagação da radiação. Quanto maior a velocidade de propagação da onda, maior o número de ondas que passarão por um ponto num dado tempo (t) e maior será sua frequência. A velocidade de propagação (v) num dado meio é constante.
A onda eletromagnética pode também ser caracterizada pelo comprimento de onda (lâmbda) que pode ser expresso pela equação:
A faixa de comprimentos de onda ou frequências em que se pode encontrar a radiação eletromagnética é ilimitada. Com a tecnologia atualmente disponível, pode-se gerar ou detectar a radiação eletromagnética numa extensa faixa de frequência, que se estende de 1 a 1024 Hz, ou comprimentos de onda na faixa de 108 metros a 0.01A.
Este espectro é subdividido em faixas, representando regiões que possuem características peculiares em termos dos processos físicos, geradores de energia em cada faixa, ou dos mecanismos físicos de detecção desta energia. Dependendo da região do espectro, trabalha-se com energia (eletron-volts), comprimentos de onda (micrômetro), ou frequência (hertz). Por exemplo: na região dos raios gama e cósmicos - usa-se energia; na região entre U.V. e I.V. - usa-se comprimento de onda; na região microondas e radio - usa-se frequência. As principais faixas do espectro eletromagnético estão descritas abaixo e representados na figura a seguir.
Ondas de radio: baixas frequências e grandes comprimentos de onda. As ondas eletromagnéticas nesta faixa são utilizadas para comunicação a longa distância, pois, além de serem pouco atenuadas pela atmosfera, são refletidas pela ionosfera, propiciando uma propagação de longo alcance.
Microondas: situam-se na faixa de 1 mm a 30 cm ou 3 X 1011 a 3 X 109 Hz. Nesta faixa de comprimentos de onda podem-se construir dispositivos capazes de produzir feixes de radiação eletromagnética altamente concentrados, chamados radares. Pouca atenuação pela atmosfera, ou nuvens, propicia um excelente meio para uso de sensores de microondas em qualquer condição de tempo.
Infravermelho: grande importância para o Sensoriamento Remoto. Engloba radiação com comprimentos de onda de 0,75 um a 1,0 mm. A radiação I.V. é facilmente absorvida pela maioria das substâncias (efeito de aquecimento).
Visível: é definida como a radiação capaz de produzir a sensação de visão para o olho humano normal. Pequena variação de comprimento de onda (380 a 750 nm). Importante para o Sensoriamento Remoto, pois imagens obtidas nesta faixa, geralmente, apresentam excelente correlação com a experiência visual do intérprete.
Ultravioleta: extensa faixa do espectro (10 nm a 400 nm). Películas fotográficas são mais sensíveis à radiação ultravioleta, que a luz visível. Uso para detecção de minerais por luminescência e poluição marinha. Forte atenuação atmosférica nesta faixa, se apresenta como um grande obstáculo na sua utilização.
Raios X: Faixa de 1 Ao a 10 nm (1 Ao = 10-10 m). São gerados, predominantemente, pela parada ou freamento de elétrons de alta energia. Por se constituir de fótons de alta energia, os raios-X são altamente penetrantes, sendo uma poderosa ferramenta em pesquisa sobre a estrutura da matéria.
Raios- GAMA: são os raios mais penetrantes das emissões de substâncias radioativas. Não existe, em princípio, limite superior para a frequência das radiações gama, embora ainda seja encontrada uma faixa superior de frequência para a radiação conhecida como raios cósmicos.
* A faixa mais usada em Sensoriamento Remoto está entre 0,3 um e 15,0 um (conhecida como espectro óptico), pois nesta faixa os componentes ópticos de reflexão e refração, tais como lentes, espelhos, prismas, etc..., são utilizados para coletar e reorientar a radiação.
As fontes de radiação eletromagnética (REM) podem ser divididas em naturais (Sol, Terra, Radioatividade) e artificial (Radar, Laser, etc...).
O Sol é a mais importante fonte natural, pois sua energia, ao interagir com as diversas substâncias da superfície da Terra, origina uma série de fenômenos (reflexão, absorção, transmissão, luminescência, aquecimento, etc..) investigados pelo Sensoriamento Remoto.
Qualquer fonte de energia eletromagnética é caracterizada pelo seu espectro de emissão, o qual pode ser contínuo ou distribuído em faixas discretas. O Sol, por exemplo, emite radiação distribuída continuamente numa faixa que vai dos raios-X até à região de microondas, embora, concentrado no intervalo de 0,35 um - 2,5 um.
Toda substância com temperatura superior à de zero absoluto (0 K ou -273o C) emitem radiação eletromagnética, como resultado de suas oscilações atômicas e moleculares. Essa radiação emitida pode incidir sobre a superfície de outra substância podendo ser refletida, absorvida ou transmitida. No caso da absorção, a energia é geralmente reemitida, normalmente com diferentes comprimentos de onda.
Na prática, os quatro processos: emissão, absorção, reflexão e transmissão ocorrem simultaneamente e suas intensidades relativas caracterizam a substância em investigação. Dependendo das características físicas e químicas da mesma, aqueles quatro processos ocorrem com intensidades diferentes em diferentes regiões do espectro. Esse comportamento espectral das diversas substâncias é denominado assinatura espectral e é utilizado em Sensoriamento Remoto para distinguir diversos materiais entre si.
Quando se coleta um dado através de um sensor remoto, seja a nível de satélite ou aeronave, o sinal coletado, na maioria das vezes, é a radiação proveniente do Sol, que interage com a atmosfera até atingir o alvo e retorna ao sensor interagindo novamente com a atmosfera. Mesmo que o sinal medido seja a radiação emitida pelo alvo, ela interage com a atmosfera até atingir o sensor.
Existem regiões de espectro eletromagnético para as quais a atmosfera é opaca, ou seja, não permite a passagem da radiação eletromagnética. Estas regiões definem as "bandas de absorção da atmosfera". As regiões do espectro eletromagnético em que a atmosfera é transparente à radiação eletromagnética proveniente do Sol são conhecidas como "janelas atmosféricas".
Assim, devemos sempre considerar os seguintes fatores
associados à atmosfera, os quais interferem no Sensoriamento
Remoto: Absorção, efeitos de massa de ar, espalhamentos
devido a moléculas gasosas ou partículas em suspensão,
refração, turbulências, emissão de
radiação pelos constituintes atmosféricos,
etc...
Desse modo, concluímos que a atenuação
da radiação é dada por:
Absorção
a energia de um feixe de radiação eletromagnética é transformada em outras formas de energia. É uma atenuação seletiva observada em vários constituintes, tais como vapor d'água, ozônio, monóxido de carbono, etc.... Em muitos casos pode ser desprezada, por ser muito pequena.
Espalhamento
a energia de um feixe de radiação eletromagnética colimada é removida por mudança de direção. Ao interagir com a atmosfera, pelo processo de espalhamento, gerará um campo de luz difusa, que se propagará em todas as direções.
Existem três tipo de espalhamento:
** Devido os fatores de atenuação é importante um planejamento antes da aquisição dos dados e dos processos de interpretação.
Introdução ao SRComo já vimos, todos os materiais e fenômenos naturais absorvem, transmitem, refletem e emitem seletivamente radiação eletromagnética. Com o desenvolvimento atual é possível medir com razoável precisão e a distância, as propriedades espectrais daqueles materiais e fenômenos.
Qualquer sistema sensor apresenta os seguintes componentes necessários para captar a radiação eletromagnética (ver figura abaixo).
onde:coletor = recebe a energia através de
uma lente, espelho, antenas, etc...
detector = capta a energia coletada de uma determinada
faixa do espectro;
processador = o sinal registrado é submetido a
um processamento (revelador, amplificação, etc...)
através do qual se obtém o produto;
produto = contém a informação necessária
ao usuário.
Os sensores podem ser classificados em função da fonte de energia ou em função do tipo de produto que ele produz.
Em função da fonte de energia:
A-) PASSIVOS : não possui uma fonte própria de radiação. Ele mede radiação solar refletida ou radiação emitida pelos alvos. ex: sistemas fotográficos.
B-) ATIVOS : possui sua própria fonte
de radiação eletromagnética, trabalhando
em faixas restritas do espectro. ex: radares.
Em função do tipo de produto:
A-) Não-imageadores: não fornecem uma imagem da superfície sensoriada. ex: radiômetros (saída em dígitos ou gráficos) e espectrorradiômetros (assinatura espectral).
São essenciais para a aquisição de informações minuciosas sobre o comportamento espectral dos objetos da superfície terrestre.
B-) Imageadores: obtem-se como resultado uma imagem da superfície observada. Fornecem informações sobre a variação espacial da resposta espectral da superfície observada.
B.1 - sistema de quadro ("framing systems"): adquirem a imagem da cena em sua totalidade num mesmo instante. (ex: RBV)
B.2 - sistema de varredura ("scanning systems") ex: TM - MSS - SPOT.
B.3 - sistema fotográfico
Os imageadores não fotográficos (sistema de imageamento por varredura) vieram a cobrir a lacuna deixada pelos problemas inerentes ao uso até então mais difundido dispositivo óptico sensor - a câmara fotográfica. Esta, apesar de apresentar condições mais fáceis de operação e custos, apresenta uma limitação em captar a resposta espectral, devido aos filmes que cobrem somente o espectro do ultravioleta próximo ao infravermelho distante. Também este tipo de sensor limita-se as horas de sobrevôo e devido a fenômenos atmosféricos não permitem frequentemente observar o solo a grandes altitudes.
Como os dados destes sensores não fotográficos
são coletados sob forma de sinal elétrico, eles
poderão ser facilmente transmitidos para estações
distantes, onde um processamento eletrônico fará
sua análise discriminatória.
A tabela abaixo apresenta uma análise comparativa dos sensores fotográficos e imageamentos por varredura.
| Resolução geométrica | ||
| Resolução espectral | ||
| Repetitividade | ||
| Visão sinóptica | ||
| Base de dados |
Introdução ao SR