INTRODUÇÃO AO PROCESSAMENTO DE IMAGENS DE SENSORIAMENTO REMOTO. Paulo Roberto Meneses Tati de Almeida (Organizadores) - PDF
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Aline Coimbra Amarante
1 INTRODUÇÃO AO PROCESSAMENTO DE IMAGENS DE SENSORIAMENTO REMOTO Paulo Roberto Meneses Tati de Almeida (Organizadores)
2 PAULO ROBERTO MENESES TATI DE ALMEIDA (Organizadores) INTRODUÇÃO AO PROCESSAMENTO DE IMAGENS DE SENSORIAMENTO REMOTO BRASÍLIA 2012
3 Autores Paulo Roberto Meneses (organizador) Professor Titular do Instituto de Geociências da Universidade de Brasília, graduado em Geologia pela Universidade de Brasília (1973), com mestrado em Sensoriamento Remoto pelo INPE (1976) e doutorado em Geologia pela USP em Tati de Almeida (organizadora) Professora Adjunta do Instituto de Geociências da Universidade de Brasília, graduada em Geologia pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (1998), com mestrado em Geociências pela Universidade Estadual de Campinas (2000) e doutorado em Geologia pelo Instituto de Geociências da UnB em Antonio Nuno de Castro Santa Rosa Professor Associado do Instituto de Geociências da Universidade de Brasília, graduado em Matemática na Universidade da Amazônia (1984), com mestrado em Geofísica pela Universidade Federal do Pará (1989), doutorado em Geofísica pela Universidade Federal do Pará (1996) e pós-doutorado em Computação Aplicada pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (2001). Edson Eyji Sano Pesquisador Senior da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, graduado em Geologia pela Universidade de São Paulo (1983), com mestrado em Sensoriamento Remoto pelo INPE (1987) e doutorado em Ciências do Solo pela Universidade do Arizona, EUA (1997). Edilson Bias de Souza Professor Adjunto do Instituto de Geociências da Universidade de Brasília, graduado em Geografia pelo Centro Universitário de Brasília (1994), com mestrado em Geociências e Meio Ambiente pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (1998) e doutorado em Geografia pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (2003). Gustavo Macedo de Mello Baptista Professor Adjunto do Instituto de Geociências da Universidade de Brasília, graduado em Geografia pela Universidade de Brasília (1994), com mestrado em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos pela Faculdade de Engenharia Civil da Universidade de Brasília (1997) e doutorado em Geologia pelo Instituto de Geociências da UnB (2001). Ricardo Seixas Brites Professor Adjunto do Instituto de Geociências da Universidade de Brasília, graduado em Engenharia de Agrimensura pela Universidade Federal de Viçosa (1981), com mestrado em Ciências Florestal pela Universidade Federal de Viçosa (1990) e doutorado em Ciência Florestal pela Colorado State University / Universidade Federal de Viçosa (1995).
4 APRESENTAÇÃO No decorrer das últimas quatro décadas o nosso planeta Terra começou a ser olhado e vistoriado por sensores imageadores que, praticamente, capturam tudo que está presente na superfície terrestre ou que nela está se modificando. E isso está sendo feito com o explícito objetivo de se obter imagens periódicas que possibilitem a monitoração do meio ambiente numa escala global e a obtenção de melhores informações acerca dos recursos naturais renováveis e não renováveis. Nessa tarefa, o engajamento de pesquisadores nos estudos do uso e aplicação do sensoriamento remoto, logo no início dos anos de 1970, quando essa nova tecnologia foi apresentada, foi decisivo para tornar o Brasil num dos maiores usuários do sensoriamento remoto do mundo. Iniciada por um grupo de jovens pesquisadores do INPE e incorporada, logo a seguir, pelas universidades brasileiras, hoje o ensino do sensoriamento remoto é componente de vários cursos universitários, num espectro amplo que vai das ciências naturais da Terra, à computação, urbanismo, engenharia civil, geotecnia, cartografia, ordenamento territorial, agricultura, geologia, defesa civil e muitas outras. Por ter essa marcante característica de multidisciplinaridade, tornou-se comum nas salas de aulas de disciplinas que abordam o sensoriamento remoto, o convívio de alunos de vários cursos de graduação ou de pós-graduação. Mas, independente de qual seja o uso das imagens devemos, obrigatoriamente, passar pela experiência de como ler os dados digitais das imagens e processá-los. O incrível aumento na acessibilidade a computadores, combinado com o desenvolvimento de programas amigáveis e de interfaces gráficas versáteis com o usuário, tornou essa tarefa bem mais fácil do que quando as primeiras imagens de satélites só podiam ser lidas por especialistas em computação, em computadores que tomavam o espaço de uma sala. Hoje em dia, os atuais programas para processamentos de imagens de sensoriamento remoto não requerem dos usuários habilidades em computação. O que se tornou mais importante é o entendimento a respeito da formulação matemática ou estatística do algoritmo, dos vários métodos para o processamento das imagens e das transformações que nelas são processadas, para que possamos melhor extrair todo o conteúdo de informação contida nas imagens, que nem sempre é facilmente percebida pelo intérprete. Esse é o objetivo deste livro, escrito numa linguagem técnica simples, direcionada a estudantes de graduação ou àqueles que estão iniciando no sensoriamento remoto, qualquer que seja a área de sua formação. Por isso, os autores se preocuparam mais em demonstrar, para cada tipo de técnica de processamento, como o operador transforma a imagem para realçar a sua visualização na tela do computador ou como ordenar e classificar os dados para construir um mapa digital temático, com o mínimo necessário da compreensão das funções matemáticas e estatísticas. Pretendemos que este livro contribua para orientar o trabalho de preparação de aulas dos professores que se dedicam ao ensino de sensoriamento remoto, bem como, possa cumprir a função de ser um material de consulta e estudo a todos os estudantes que se interessam por essa área. Embora seja um livro de processamento de imagens, os primeiros quatro capítulos abordam fundamentos de sensoriamento remoto e descrições dos tipos de sensores que operam nas faixas espectrais do visível às micro-ondas. Assim foi feito, porque antes de se iniciar o processamento de uma imagem, é necessário que saibamos sobre uma série de informações de como as imagens são obtidas e de alguns detalhes de suas características. Esses capítulos são apenas uma pequena síntese sobre o sensoriamento remoto, com um conteúdo focado nas informações mais relevantes para o processamento da imagem. A principal intenção dos autores, de colocar essa obra no formato de e-book, foi a de possibilitar aos estudantes o livre acesso, sem custos, a uma fonte de publicação para o acompanhamento de suas aulas nas disciplinas de processamento de imagens de
5 sensoriamento remoto. Esperamos que este livro possa inspirar o interesse e o entusiasmo desses estudantes. Os autores são profundamente agradecidos à Prof a. Maria Ana Bretanha Junker Menezes pela revisão ortográfica do texto. Paulo Roberto Meneses Tati de Almeida
6 Conteúdo 1. Princípios do Sensoriamento Remoto 1.1 História Inicial Definição de Sensoriamento Remoto Natureza da Radiação Eletromagnética Modelo ondulatório Interação macroscópica da radiação eletromagnética com os objetos Modelo corpuscular Interação microscópica da radiação eletromagnética com os objetos Manifestação conjunta das interações macroscópicas e microscópicas Fontes de Radiação Eletromagnética Interferências Atmosféricas Espectro Eletromagnético Conceitos de Radiância e de Reflectância Resoluções das Imagens Resolução espacial Resolução espectral Resolução radiométrica Resolução temporal Sensores Imageadores Multiespectrais na Faixa Óptica (0,45 2,5μm) 2.1 Das Fotos Aéreas às Imagens Multiespectrais Mecanismos de Imageamento Multiespectral Sensores de varredura mecânica (whiskbroom) Sensores de varredura eletrônica (bushbroom) As Informações Contidas nas Imagens Multiespectrais da Faixa Óptica Interação da luz solar com os materiais Sensores Imageadores na Faixa Termal (8 14 μm) 3.1 Temperatura e Calor Leis Físicas da Radiação Termal Emissividade Temperatura Cinética versus Temperatura Radiométrica As Imagens do Termal Sensor Radar de Abertura Sintética 4.1 Imageamento Lateral Polarização da Onda Geometria de Iluminação Resolução Espacial Resolução em alcance (range) Resolução azimutal Radar deabertura Sintética Distorções Geométricas Ruído Speckle Interação do Pulso de Radar com as Superfícies dos Objetos 70
7 4.8.1 Em relação ao comprimento de onda Em relação à direção de visada Em relação ao ângulo de incidência local Constante Dielétrica Interferometria Formatos de Imagens de Sensoriamento Remoto 5.1 Imagem Digital Formatos de Arquivos Formatos de Salvamento Distorções e Correções dos Dados da Imagem 6.1 O que é Processamento de Imagens Pré-processamento de Imagens Digitais Eliminação de ruídos Correção atmosférica Subtração do escuro (dark subtraction) Correções das distorções geométricas Correção geométrica Georreferenciamento Avaliação dos erros da transformação polinomial Reamostragem Ampliação Histogrâmica de Contraste 7.1 Introdução Representação Histogrâmica da Imagem Digital Expansão Linear por Saturação Expansão Linear por Partes Expansão por Equalização Expansão Gaussiana Função Raiz Quadrada Modelos de Cores Aplicados às Imagens 8.1 Cor Fatiamento de Histograma Espaço de Cor RGB Espaço de Cor IHS Fusão de Imagens Aritmética de Bandas 9.1 As Operações Aritméticas Soma Multiplicação Subtração Divisão Índice de vegetação Índice de água Índice de minerais 152
8 10. Transformação por Rotação Espectral Correlações de Bandas Transformações por Principais Componentes Descorrelação de Bandas Filtragem 11.1 Introdução Filtro Passa-Alta Filtro Passa-Baixa Filtro passa-baixa de média Filtro de mediana Filtros de Bordas Direcionais Linear Primeira derivada Operadores Laplacianos Filtros Morfológicos Filtro de Textura Filtragem no Domínio da Frequência Amostragem Classificação Pixel a Pixel de Imagens 12.1 Introdução Princípio Básico de Classificação de Imagens Classificação Não-supervisionada Isodata K-médias Classificação Supervisionada Paralelepípedo Distância mínima Máxima-Verossimilhança Distância Mahalanobis 12.5 Validação da Classificação Classificação por Região 13.1 Segmentação de Imagens Como se dá a Classificação por Região Descrições dos Tipos de Classificadores Isoseg Bhattacharayya Clatex Classificação Usando o Algoritmo Bhattacharyya Processamento de Dados Hiperespectrais 14.1 Introdução Correção Atmosférica dos Dados Bibliotecas Espectrais Identificação de Endmembers Medições de Intensidade das Feições Espectrais 234
9 15. Imagens de Alta Resolução Espacial 15.1 Introdução Implicações da Resolução Espacial nas Análises do Espaço Urbano A Título de Exemplo Imagens de Alta Resolução e Possibilidades para o Mapeamento Cartográfico O Mercado Atual de Imagens de Alta Resolução Erro Gráfico e Escala Relação entre Erro Gráfico e Escala Custo da Geração de uma Base Cartográfica 255 Referências Bibliográficas 258 Índice Alfabético 264
10 PREFÁCIO A disseminação do conhecimento em muitas áreas da ciência enfrenta uma dificuldade histórica em nosso país. Trata-se da existência limitada, ou até mesmo da ausência, de livrostexto com conteúdo atualizado em língua portuguesa. É nesse cenário que surge esta importante obra, organizada por Paulo Roberto Meneses e Tati de Almeida, ambos docentes da Universidade de Brasília, enfocando o processamento de imagens de sensoriamento remoto. Escrita em conjunto com outros especialistas no tema, da UnB e da Embrapa, a obra vem preencher essa lacuna com brilhantismo, oferecendo a estudantes de graduação e de pósgraduação, assim como a docentes e pesquisadores, o acesso a conceitos, princípios e métodos do processamento de imagens de sensoriamento remoto. A opção dos autores por ima linguagem simples, porém sempre rigorosa quanto aos aspectos técnico-científicos das técnicas abordadas, tem a grande vantagem de torná-lo acessível a esses públicos diversos. Com isso, os autores buscam transmitir o conhecimento sobre a aplicação das técnicas digitais de processamento para a geração de informações a partir da análise de imagens de sensoriamento remoto. O livro abrange desde os fundamentos do sensoriamento, passando pela descrição de como operam os sensores e como são adquiridas as imagens, e chegando aos vários conjuntos de técnicas empregadas na extração de informações a partir de imagens coletadas pelos sensores nas diversas regiões do espectro eletromagnético. Por meio de capítulos dedicados, o livro aborda técnicas específicas de processamento de imagens geradas por sensores que empregam tecnologias de alta resolução espacial e espectral. Outro aspecto do livro digno de destaque é o seu formato eletrônico (e-book). Essa inovação, plenamente compatível com o momento em que vivemos, possibilita o acesso livre e gratuito à obra. Essa atitude louvável dos autores terá certamente impacto significativo para a disseminação dos conhecimentos contidos na obra, levando-os diretamente para as salas de aula, laboratórios, bibliotecas e ambientes de trabalho. Por todos esses aspectos, parabenizo os organizadores e autores da obra, expressando a certeza de que ela será uma referência de fundamental importância para a comunidade de língua portuguesa do sensoriamento remoto. Álvaro Penteado Crósta
11 PRINCÍPIOS DE SENSORIAMENTO REMOTO Paulo Roberto Meneses História Inicial Sensoriamento remoto, termo cunhado no início dos anos de 1960 por Evelyn L. Pruit e colaboradores, é uma das mais bem sucedidas tecnologias de coleta automática de dados para o levantamento e monitoração dos recursos terrestres em escala global. Atualmente, a resolução espectral das imagens obtidas pelos sensores imageadores já ultrapassa centenas de bandas, e a resolução espacial de muitas imagens já é maior que 1 metro, possibilitando suas aplicações nas áreas de levantamentos de recursos naturais e mapeamentos temáticos, monitoração ambiental, detecção de desastres naturais, desmatamentos florestais, previsões de safras, cadastramentos multifinalitários, cartografia de precisão, defesa e vigilância, entre outras. O acelerado avanço com que o sensoriamento remoto se desenvolveu em poucas décadas deve-se à revolução nos meios de se observar à Terra numa escala global e periódica, e na rapidez da monitoração dos fenômenos dinâmicos e das mudanças das feições terrestres. É uma tecnologia empregada em escala mundial e que, talvez, reúna a maior diversidade de pesquisadores e usuários, em torno de uma tecnologia de aplicação. O Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE teve uma ação decisiva na consolidação do sensoriamento remoto como uma tecnologia de uso em escala nacional, projetando o Brasil como a nação pioneira no hemisfério sul a dominar essa tecnologia. Mesmo antes do lançamento do primeiro satélite de sensoriamento remoto em 1972, o INPE se destacava como uma das primeiras instituições, na área espacial, a investir em pesquisas de sensoriamento remoto, como é exemplo a Missão 96, um projeto executado em colaboração com a NASA, que realizou um levantamento experimental aerotransportado com diversos tipos de sensores imageadores na região do Quadrilátero Ferrífero, em Minas Gerais. Formador na década de 1970 dos primeiros pesquisadores especializados em sensoriamento remoto, contribuiu decisivamente para o desenvolvimento das metodologias de interpretação de imagens e de processamento digital, e na disseminação do uso de imagens de satélite por todo o território nacional. A origem do sensoriamento remoto nos anos de 1960 deve-se ao espetacular desenvolvimento da área espacial nesses anos, que ficou conhecida como a década da corrida espacial. Foi nesse período que se viu o mais rápido desenvolvimento de foguetes lançadores de satélites, que possibilitou colocar no espaço satélites artificiais para várias finalidades. Os satélites meteorológicos foram os pioneiros e, por meio deles, quase que de uma maneira acidental é que o sensoriamento remoto deu os seus primeiros passos. O primeiro desses satélites meteorológicos foi o TIROS-1 (Television IR Operational Satellite), lançado em 1960 pelos Estados Unidos. Além dos padrões de cobertura de nuvens, as imagens do TIROS mostravam, embora com pouca nitidez, algumas feições da superfície da Terra, que pela primeira vez demonstraram ser possíveis de serem vistas do espaço. Melhoramentos dos subsequentes sensores dos satélites meteorológicos deram a oportunidade para iniciar os Introdução ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 1
12 primeiros estudos mais detalhados de feições terrestres de áreas de coberturas de neves, gelos polares, águas oceânicas e cadeias de montanhas. A década de 1960 foi, também, a década em que o homem pôde ir ao espaço em satélites tripulados e de lá observar a Terra e tomar as primeiras fotos da superfície terrestre, usando câmeras fotográficas manuais. Foram essas experiências realizadas pelos programas espaciais tripulados Mercury, Gemini, e Apollo, que asseguraram o futuro do sensoriamento remoto. A missão GT-4 do programa Gemini foi o primeiro programa fotográfico espacial com o objetivo específico para estudos geológicos. Interpretações dessas fotos em preto e branco e coloridas, na escala de 1: , descobriram novas feições geológicas que não constavam nos mapas geológicos em escalas maiores, de 1: A partir do sucesso da missão GT-4 foram incluídos no programa Apollo experimentos controlados envolvendo a aquisição de fotografias multiespectrais, usando um conjunto de quatro câmeras Hasselblad, munidas cada uma de filmes pancromáticos com filtros vermelho e verde e filmes infravermelhos. Foi dessa maneira que se obteve a primeira imagem multiespectral da Terra. O satélite americano Corona e o soviético Zenit, lançados no final dos anos de 1960, foram as últimas missões espaciais fotográficas. Os excelentes resultados desses programas espaciais impulsionaram as pesquisas para a construção de novos equipamentos capazes de fotografar à Terra, mas não com o uso de câmeras fotográficas, visto que a substituição de filmes no espaço seria algo impossível de se fazer. Esses equipamentos deveriam ter a capacidade de recobrir a superfície terrestre e de armazenar ou transmitir para à Terra os dados coletados. A única possibilidade para fazer isso era obter os dados em formatos digitais, usando-se equipamentos eletrônicos. Da metade para o final da década de 1960 esses equipamentos começaram a ser testados em aeronaves como programas de simulação, para serem posteriormente instalados a bordo de satélites. Eles receberam o nome de sensores imageadores, em razão do processo de cobertura do terreno ser feito na forma de varredura linear do terreno e não por um mecanismo de tomada instantânea de área, em quadro, como é feito com câmeras fotográficas. Por isso, o produto gerado por esses novos sensores recebeu a denominação de imagem, a fim de diferenciá-lo pelo seu processo de aquisição, das tradicionais fotos aéreas. Outra importante diferença dos sensores imageadores foi a capacidade de obterem imagens simultâneas em várias faixas do espectro eletromagnético. A despeito das diferenças dos mecanismos de aquisição entre as imagens de satélite e as fotos aéreas, notamos que são produtos que guardam muitas semelhanças, pelo fato de terem a mesma finalidade, que é a de retratar os objetos ou fenômenos da superfície terrestre. As vantagens de um sobre o outro são várias, mas apenas para justificar o que impulsionou o uso dos sensores imageadores por satélites, pode-se citar a sua capacidade de imagear em curto espaço de tempo toda a superfície do planeta e de uma maneira sistemática, dado que um satélite fica continuamente orbitando à Terra. Essa forma de cobertura repetitiva, obtendo imagens periódicas de qualquer área do planeta, propicia detectar e monitorar mudanças que acontecem na superfície terrestre. Essa é a principal razão pela qual as imagens de satélites passaram a ser a mais eficiente ferramenta para uso nas aplicações que envolvem análises ambientais dos diversos ecossistemas terrestres. A perfeita combinação dessas duas tecnologias, satélites artificiais e sensores imageadores, talvez tenha sido um dos maiores benefícios até hoje presenciado pelo desenvolvimento tecnológico a serviço do levantamento dos recursos naturais terrestres. Um marco importante que deu início à era do sensoriamento remoto moderno foi o lançamento pelos Estados Unidos, do primeiro satélite de sensoriamento remoto, ERTS-1, posteriormente renomeado para Landsat 1, colocado em órbita em 1972 a cerca de 919 km de altura. O sensor imageador multiespectral desse primeiro satélite de sensoriamento remoto possibilitava a obtenção simultânea de quatro imagens nas faixas do espectro do visível e do Introdução ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 2
13 infravermelho próximo e uma imagem no termal, portanto além do que era possível com o uso de filmes fotográficos. A largura da área imageada na Terra por cada órbita do satélite era de 185 km, o que permitia uma visão sinótica, até então, impossível de ser obtida com as câmeras fotográficas aéreas. A cada 18 dias uma nova imagem com resolução espacial de 76 metros era obtida de qualquer área do planeta. Do programa americano Landsat seguiram-se outros, europeus, canadenses, asiáticos e sul americanos, cada um procurando atender, cada vez mais, necessidades específicas, quer sejam em função das características geográficas das diversas regiões terrestres ou em função das suas aplicações. Atualmente, há em circulação no espaço dezenas de sensores orbitais imageando a superfície da Terra em todas as faixas espectrais possíveis, com os mais variados parâmetros de resolução espacial e temporal. De um lado há os sensores hiperespectrais com centenas de bandas espectrais (centenas de imagens) e do outro, há os sensores de alta resolução espacial, capazes de detectar objetos na superfície da Terra, menores que 50 cm. E para atravessar a opacidade das nuvens, muito frequente em regiões como a Amazônia, há os sensores de radar com as suas fontes artificiais de radiação eletromagnética que fazem das nuvens um objeto transparente. 1.2 Definição de Sensoriamento Remoto Historicamente, reconhece-se que o termo Sensoriamento Remoto foi criado para designar o desenvolvimento dessa nova tecnologia de instrumentos capaz de obterem imagens da superfície terrestre a distâncias remotas. Por isso, a definição mais conhecida ou clássica de sensoriamento remoto é: Sensoriamento remoto é uma técnica de obtenção de imagens dos objetos da superfície terrestre sem que haja um contato físico de qualquer espécie entre o sensor e o objeto. A condição principal imposta por essa definição clássica, que é o sensor estar a uma distância remota do objeto, estabelece a base para definir o sensoriamento remoto numa concepção um pouco mais científica, que é regida segundo os seguintes preceitos: i) exigência: ausência de matéria no espaço entre o objeto e o sensor; ii) consequência: a informação do objeto é possível de ser transportada pelo espaço vazio; iii) processo: o elo de comunicação entre o objeto e o sensor é a radiação eletromagnética, a única forma de energia capaz de se transportar pelo espaço. Com base nesses preceitos, uma definição mais científica que se pode dar ao Sensoriamento Remoto seria: Sensoriamento Remoto é uma ciência que visa o desenvolvimento da obtenção de imagens da superfície terrestre por meio da detecção e medição quantitativa das respostas das interações da radiação eletromagnética com os materiais terrestres. Essa definição de sensoriamento remoto é explícita em afirmar que o objeto imageado é registrado pelo sensor por meio de medições da radiação eletromagnética, tal como a luz solar refletida da superfície de qualquer objeto. Nenhum outro tipo de sensor que obtenha imagens que não seja pela detecção da radiação eletromagnética deve ser classificado como sensoriamento remoto. A confusão mais comum é feita com os sensores geofísicos aerotransportados, tais como os magnetômetros, que geram uma imagem a partir medições de campos de força do campo magnético da superfície terrestre, portanto sem nenhuma relação com a energia eletromagnética. Por outro lado existe a errônea concepção de apenas considerar como sensoriamento remoto as imagens obtidas de satélites, visto que o termo foi criado quando a era espacial deu início. As fotografias aéreas, que por mais de um século vêm sendo usadas como uma forma Introdução ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 3
14 de observar a Terra são, obrigatoriamente, uma classe de sensores remotos. O filme fotográfico foi o primeiro material construído pelo homem capaz de registrar a radiação eletromagnética e de transformá-la na imagem do objeto fotografado. A partir da definição de sensoriamento remoto fica óbvio que só se pode entender o processo de aquisição e de análise das imagens, se conhecermos primeiro o que é a radiação eletromagnética - REM. 1.3 Natureza da Radiação Eletromagnética A explicação do que é a radiação eletromagnética (REM) começa com o entendimento da dualidade do comportamento da sua natureza: onda e energia. Isso quer dizer que a REM que se propaga pelo espaço vazio, como a luz solar, é, ao mesmo tempo, uma forma de onda e uma forma de energia. Esse conceito de dualidade é extremamente importante para o sensoriamento remoto, pois sempre que alguém estiver analisando qualquer tipo de imagem de sensoriamento remoto, a coexistência da radiação eletromagnética na forma de onda e na forma de energia deverá ser considerada para que se possa explicar tudo o que se observa nas imagens com referência às características dos objetos. A dualidade do comportamento da radiação eletromagnética, onda e energia, é formulada pelos modelos denominados de ondulatório (onda) e corpuscular (energia) Modelo Ondulatório Segundo o modelo ondulatório, a REM pode ser explicada como uma forma de onda senoidal e harmônica. De acordo com as formulações de Maxwell, uma partícula carregada eletricamente gera um campo elétrico em torno de si e o movimento dessa partícula gera, por sua vez, um campo magnético. Ambos os campos, elétrico e magnético, atuam vibrando ortogonalmente entre si e possuem as mesmas amplitudes, isso é, alcançam os seus máximos ao mesmo tempo. As variações do campo são causadas pelas vibrações da partícula. Quando essa partícula é acelerada, as perturbações entre os dois campos se propagam repetitivamente no vácuo em uma direção ortogonal à direção dos campos elétricos e magnéticos, como é mostrado na Figura 1.1. Essas perturbações dos campos elétrico (E) e magnético (M) são chamadas de ondas eletromagnéticas. O comprimento da radiação eletromagnética depende de quanto tempo a partícula é acelerada, e a frequência ν da radiação depende da freqüência de vibração da partícula. Assim, define-se uma onda eletromagnética como a oscilação dos campos E e M, segundo um padrão harmônico de ondas, isso é, ondas espaçadas repetitivamente no tempo. Esses campos dinâmicos sempre ocorrem juntos como padrões inseparáveis, de modo que nem campo elétrico puro, nem campo magnético puro de ondas irradiadas ocorrerão separadamente um do outro. As ondas eletromagnéticas propagam-se no vácuo na velocidade da luz (c= ,46 km/s ou aproximadamente km/s). Se for medida a distância entre dois picos sucessivos de ondas (Figura 1.1), determina-se o comprimento ou tamanho da onda, que é simbolizado pela letra grega λ e expresso no sistema de unidades métricas. As ondas podem ter comprimentos da ordem de bilionésimo de metro (raios cósmicos), até dimensões de quilômetros (ondas de rádio). Introdução ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 4
15 Campo Elétrico E E Comprimento de onda Campo Magnético M M Frequência (número de ciclos por segundo) Velocidade da luz Fig Direção de propagação da radiação eletromagnética na forma de uma onda, em função das oscilações ortogonais dos campos magnético (M) e elétrico (E). Se medirmos o número de picos de ondas que passa por um ponto fixo de referência no espaço, podemos determinar a sua frequência ν. Como a velocidade de propagação da onda é constante, as ondas com comprimentos menores têm frequências maiores, ou seja, um maior número de ondas passa pelo ponto de referência num dado tempo. Inversamente, as de comprimentos maiores têm frequências menores. Da física clássica a seguinte relação entre o comprimento de onda λ e a freqüência exprime a lei do comportamento ondulatório: eq.1.1 Por costume de uso, em sensoriamento remoto sempre nos referimos à radiação eletromagnética pelo seu comprimento e não pela sua frequência. Por exemplo, a radiação eletromagnética equivalente à luz solar azul é de comprimento de onda de 0,455 micrômetros ou μm (1micro ou μ é igual a 10-6 m) e a luz solar vermelha é de comprimento de onda de 0,617 μm. Como por definição o sensoriamento remoto é uma medida da interação da radiação eletromagnética com a superfície dos objetos, segundo o modelo ondulatório as características das imagens são explicadas tendo-se em conta a relação entre o tamanho da onda e o tamanho do objeto. Esse modo de interação é denominado de interação macroscópica, que adiante será discutido com mais detalhes. Um bom exemplo para explicar esse comportamento são as interações da radiação eletromagnética que ocorrem com as nuvens. As radiações eletromagnéticas das ondas do visível e do infravermelho da luz solar, que são de comprimentos de 0,4 a 2,5 μm, possuem em média, tamanhos menores que o tamanho médio das moléculas de vapor de água que compõem uma nuvem, que é da ordem de 30 μm. Devido a essa enorme diferença entre o tamanho das ondas do visível e do infravermelho com o tamanho das moléculas de vapor de água das nuvens, a REM incidente nas nuvens é barrada por essas moléculas e refletida de volta ao espaço. Elas não conseguem atravessar a nuvem. Então, o sensor registrará a intensidade da reflectância da nuvem, formando uma imagem da nuvem e não dos objetos que estão sobre a superfície terrestre. Um dos sensores mais conhecidos que operam nos comprimentos de onda do visível e do início do infravermelho próximo é a câmera Introdução ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 5
16 fotográfica. É conhecido de todos que se no dia do levantamento aéreo houver alguma presença de nuvens, na foto a nuvem estará presente. E o que acontece se o comprimento da onda for maior que o diâmetro das partículas gasosas das nuvens, como é o caso das ondas eletromagnéticas de comprimentos das microondas, com tamanhos da ordem de 1 a 100 cm? Para entender isso devemos considerar que uma nuvem nada mais é do que um amontoado de partículas de vapor, ou seja, um gás. Neste caso, apenas uma mínima fração da dimensão da onda de tamanho centimétrico é barrada pelo correspondente tamanho da partícula, o resto da onda passando por ela. Portanto, a nuvem não é capaz de barrar fisicamente a passagem da onda. Assim, a onda atravessa a nuvem e incide nos objetos da superfície terrestre, sendo por eles refletida de volta para o sensor, que registra as imagens desses objetos. Neste caso, pode-se dizer que as nuvens são transparentes aos comprimentos de onda relativamente grandes das micro-ondas. Os sensores que trabalham com as micro-ondas são denominados de radar. Em imagens de radar, mesmo que o céu esteja totalmente coberto por nuvens, a imagem formada é uma imagem limpa, aparecendo nela toda a superfície do terreno. Daí, a grande utilidade dos sensores radares nas áreas com frequentes coberturas de nuvens, como é o caso da região amazônica brasileira Interação macroscópica da radiação eletromagnética com os objetos Os exemplos que acabou-se de apresentar são elucidativos para mostrar que quando a interação da radiação eletromagnética com os objetos é controlada pelas relações do tamanho da onda com o tamanho dos objetos, as informações que se apresentam nas imagens dizem respeito às características das dimensões ou formas dos objetos. Neste caso, é dito que o processo de interação da onda com os objetos é uma interação macroscópica. Na prática, nas imagens de sensoriamento remoto a interação macroscópica é a resposta da intensidade com que um objeto reflete a radiação eletromagnética em razão do tamanho da onda e a textura da superfície do objeto. A textura representa a rugosidade topográfica da superfície. Ela pode ser estimada pelas variações verticais de altura da superfície de um material e se mostra muito eficiente para explicar as diferenças observadas nas imagens entre as diversas formas de relevo, os tipos de dosséis da vegetação, ou da superfície lisa de um corpo d água calmo ou com ondas revoltas. Em sensoriamento remoto as texturas das superfícies dos objetos vistas nas imagens podem ser classificadas em dois tipos: especulares e difusoras. Podemos usar o critério geral de Rayleigh ( ) para determinar se uma superfície é especular ou difusora, o que é dependente do comprimento de onda e do ângulo de incidência ( ) da radiação, segundo a seguinte equação: ou eq.1.2 onde, = altura média da superfície = ângulo de incidência λ = comprimento de onda Quando a imagem do objeto é classificada como uma superfície especular de textura lisa, e quando a superfície do objeto é classificada como uma superfície difusora de textura rugosa, como mostra a Figura 1.2. Introdução ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 6
17 . a b Fig. 1.2 Comportamento da reflectância condicionada à rugosidade da superfície do alvo. (a) reflectância especular de uma superfície lisa com o raio incidente refletido no sentido oposto com o mesmo ângulo. (b) refletância difusora de uma superfície rugosa com os raios refletidos espalhados em todas as direções. Em alguns casos pode-se ter uma mistura de reflectância especular e difusora. Para todos os efeitos, costuma-se classificar uma superfície como sendo difusora quando 25% ou mais da radiação é refletida difusamente. Na natureza, a maioria dos objetos tem comportamento difuso em relação aos comprimentos de onda. Do que foi discutido podemos concluir que a condição para uma superfície ser classificada como especular ou difusa, depende do comprimento de onda incidente. Por exemplo, um solo gradeado, cuja textura medida pelas mínimas variações da altura da sua superfície seja de poucos centímetros, será considerado rugoso na faixa de comprimento de onda do visível (0,40 μm a 0,76 μm), pois o tamanho da onda é milhões de vezes menor que o tamanho das variações de altura h da superfície do solo. No entanto, o mesmo solo poderá ser considerado liso, ou seja, especular, na faixa das micro-ondas, visto que as micro-ondas têm comprimentos de onda até 100 cm. Dessa forma, as áreas de solos arados vistas nas imagens desses dois comprimentos de onda, visível e micro-ondas, serão diferentes. O usuário de sensoriamento remoto que não souber das implicações desse processo de interação macroscópica julgará, analisando as duas imagens, que são solos com texturas diferentes, imaginando, talvez, que as imagens tenham sido tomadas em datas diferentes. Para o sensoriamento remoto, o modelo ondulatório se aplica melhor para os grandes comprimentos de onda das micro-ondas das imagens de radar, que são obtidas com maiores que 3,0 cm. Observe na Figura 1.3 de uma imagem de radar, que os alvos escuros representam superfícies especulares (água e solo gradeado) nas quais a onda eletromagnética foi refletida em direção oposta à direção de visada do sensor, e assim nenhuma radiação voltou ao sensor para ser registrada. Os demais níveis de cinza representam alvos com reflectância difusa que retornaram ao sensor. Fig. 1.3 Imagem de radar de comprimento de onda de 23 cm mostrando alvos de textura lisa com reflectância especular (tons de cinza escuros) e alvos de textura rugosa com refletância difusora (tons de cinza variados). Introdução ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 7
18 1.3.2 Modelo Corpuscular As formulações de Maxwell sobre o comportamento da radiação eletromagnética como um movimento de ondas suaves dos campos elétrico e magnético falham em explicar certos importantes fenômenos quando a radiação eletromagnética interage com a matéria. Esse comportamento é mais evidente para as ondas de pequenos comprimentos. Desde os primeiros experimentos de geração de ondas eletromagnéticas observou-se que a radiação é emitida em forma de pulsos que carregam certa quantidade de energia. Em 1901 Planck observou que a REM transferia energia de um corpo para outro em quantidades fixas e discretas, à qual denominou de fótons. O fóton é a forma física de um quantum, a partícula básica estudada em mecânica quântica (ramo da física que se dedica com o muito pequeno, nos níveis atômicos ou subatômicos), e que pode ser descrita como a partícula mensageira da energia da onda eletromagnética. Os fótons são como corpúsculos de energia sem matéria. Assim, uma onda eletromagnética exibe propriedades de partículas, como as partículas (elétrons) exibem propriedades de onda. O conceito de energia discreta é muito importante e revolucionou a física do século XX, que até então considerava que qualquer forma de energia era contínua. O termo discreto significa que a intensidade de energia transportada pela radiação eletromagnética num dado comprimento de onda é sempre a mesma, independente do momento que é medida. Para cada comprimento de onda há uma específica quantidade de energia. Segundo o modelo corpuscular pode-se definir que a radiação eletromagnética é uma forma dinâmica de energia que se manifesta somente por suas interações com a matéria. A quantidade de energia E de um quantum é diretamente proporcional à frequência ν da radiação: eq.1.3 onde, E = energia h = constante de Planck (6,624x10-34 Joules.seg) ν = frequência Substituindo-se por a partir da equação 1.1 do modelo ondulatório, tem-se que: eq.1.4 Da equação 1.4 verifica-se que um fóton de energia E é inversamente proporcional ao comprimento de onda da REM. Os comprimentos de ondas menores transportam, consequentemente, maiores quantidades de energia. Um fóton de luz visível com comprimento de onda de 0,6 μm tem uma energia de 3,3 x J, e um fóton de uma onda de rádio, com comprimento de dois metros, tem uma energia muito menor, de 9,9 x J. A unidade usada em física atômica e óptica quântica é o elétron-volt, que é igual a 1,59 x joules. De acordo com o modelo corpuscular, a energia da onda, ao atingir a superfície dos materiais, interage com ela por meio de trocas de energia entre a energia discreta que carrega e as energias, também discretas, contidas nos átomos e moléculas da matéria. As energias contidas nos átomos e moléculas estão distribuídas por níveis de energia, que são determinados pelos orbitais dos elétrons em torno do núcleo e pelas forças de vibrações das ligações moleculares. Para haver uma troca ou interação da energia da radiação da onda com Introdução ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 8
19 a energia da matéria, é preciso que a REM incidente seja em parte absorvida pelos elétrons ou moléculas, o que promove uma mudança do elétron de um orbital para outro de maior energia, ou em um aumento da intensidade da vibração molecular (Figura 1.4). A parte da energia da radiação eletromagnética que não é absorvida é refletida para o sensor. Nesse processo, as imagens medem a radiação refletida, mas, indiretamente, podemos avaliar o que foi absorvido pelos materiais. Isso é importante, porque são essas quantidades de energia eletromagnética absorvidas pelos materiais que definem algumas informações sobre a composição dos alvos terrestres, nas imagens de sensoriamento remoto. H H H H C C a b Fig. 1.4 A absorção da radiação eletromagnética pelos materiais desloca o elétron para um orbital de maior energia (a) ou aumenta a frequência dos movimentos vibracionais da molécula (b) Interação microscópica da radiação eletromagnética com os objetos Como as energias da radiação eletromagnética e as energias dos átomos e moléculas são discretas, as trocas de energia somente ocorrerão se a quantidade de energia contida na REM for exatamente igual àquela necessária para promover uma mudança nos níveis de energia dos átomos ou moléculas. Nesse caso, é dito que a interação é do tipo microscópico, pois ocorre nos níveis microscópicos dos átomos e moléculas e é, portanto, totalmente dependente da constituição química (atômica/molecular) do material. Materiais de diferentes composições, ou seja, com diferentes constituições de elementos químicos de átomos e moléculas, têm absorções e reflectâncias diferentes, resultando nas imagens em diferentes tons de cinza. Para o sensoriamento remoto, o modelo corpuscular é mais adequado para os comprimentos de ondas menores, porque esses possuem maiores energias, como previsto pela equação 1.4. A Figura 1.5 é um esquema bastante simplificado para exemplificar a interação microscópica por trocas de energia segundo o modelo corpuscular da REM, para dois diferentes tipos de rocha. Os hipotéticos diagramas dos níveis de energia dos átomos de Fe e da molécula CO 3 necessitam de intensidade de energias eletromagnéticas para promoverem o salto quântico para níveis de energia superiores, para isso absorvendo intensidades de radiações eletromagnéticas de comprimentos de ondas diferentes. Nos comprimentos de ondas grandes e, portanto, com muito baixa energia, como nas micro-ondas, não ocorre interação ao nível microscópio. A quantidade de energia dessas ondas é insuficiente para provocar uma mudança nos níveis energéticos dos átomos ou moléculas e, consequentemente, pouquíssima quantidade de energia incidente é absorvida pela matéria. Por isso, como mencionado anteriormente, a região das micro-ondas se ajusta mais ao modelo ondulatório ou macroscópico. Introdução ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 9
20 Fig. 1.5 Rochas calcários e xistos absorvem com intensidades diferentes radiações eletromagnéticas de diferentes comprimentos de onda devido aos diferentes valores dos níveis de energia que apresentam as moléculas de CO 3 e os átomos de Fe. Em resumo, pode-se dizer que devido à dualidade da natureza da radiação eletromagnética, o modelo ondulatório se relaciona com as propriedades texturais dos objetos, enquanto que o modelo corpuscular às propriedades composicionais. Sendo assim, para se discriminar ou diferenciar nas imagens de sensoriamento remoto um objeto do outro, como uma ardósia de um granito, deve-se ter imagens nos comprimentos de onda de alta energia, que possam interagir com os minerais constituintes. E para que possamos ver as diferenças das duas rochas, em função tão somente de suas texturas (formas de relevo), é aconselhável ter imagens nos grandes comprimentos de onda, onde a textura da superfície das rochas é que comanda as intensidades de reflectância Manifestação Conjunta das Interações Macroscópica e Microscópica Devido à indissociabilidade de onda e energia, somos obrigados a afirmar que as imagens dos objetos sempre são, em maior ou menor proporção, as respostas em função do tamanho da onda e da intensidade de sua energia. Como antes apresentado, é prático considerar que para os menores comprimentos de onda a imagem dos objetos é o retrato da interação ao nível microscópico com as suas composições e para os maiores comprimentos de onda a imagem dos objetos é o retrato da interação ao nível macroscópico com a rugosidade de suas superfícies. Há, particularmente, uma situação que serve de maneira didática para demonstrar a atuação conjunta das duas formas de interação. Podemos ver isso na Figura 1.6 a partir de imagens tomadas de uma área de densa cobertura vegetal, da região amazônica. As duas imagens são do sensor TM do Landsat-5, uma da região do infravermelho próximo de 0,76 μm a 0,90 μm (banda 4) e a outra da região do visível de 0,63 μm a 0,69 μm (banda 3). A primeira impressão é de que na imagem do infravermelho próximo se consegue ver o relevo abaixo das árvores. Na realidade, ambas as imagens são a reflectância apenas das folhas das árvores, haja vista que nesses comprimentos de onda a radiação eletromagnética não consegue penetrar a vegetação. Na figura à direita vemos que a topografia dos dosséis é uma reprodução bem aproximada da topografia do relevo subjacente e, por isso, a radiação solar incidente ilumina as faces frontais do relevo e sombreia as faces opostas. Combinando as Introdução ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 10