Turma de Licenciatura Plena em Geografia EAD 2013- Uniube

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Geografia Uniube EAD 2013

terça-feira, 13 de setembro de 2011

Conceitos Básicos de Sensoriamento Remoto

Bases físicas do sensoriamento remoto

O sensoriamento remoto é definido por Lillesand & Kiefer (1987) como " ... a ciência e arte de receber informações sobre um objeto, uma área ou fenômeno pela análise dos dados obtidos de uma maneira tal que não haja contato direto com este objeto, esta área ou este fenômeno". Para se obter estas informações, usa-se um meio que, neste caso, é a radiação eletromagnética, supondo que esta possa chegar direitamente ao sensor. Isto, no entanto, não é possível em todas partes do espectro eletromagnético, porque a transmissividade atmosférica é variável para os diversos comprimentos de onda.

O espectro electromagnético

A radiação eletromagnética propaga-se, no vácuo, a uma velocidade de 300000 m/s. A intensidade da radiação varia senoidalmente e está correlacionada diretamente com o comprimento de onda e a freqüência. O comprimento de onda (l) é definido pela distância média entre dois pontos semelhantes da onda, como, por exemplo, dois mínimos ou dois máximos. A freqüência (f) é o valor recíproco do período das ondulações, ou seja, do intervalo de tempo entre dois pontos consecutivos de mesma intensidade. A fonte principal de radiação natural é o Sol, que emite, a uma temperatura de cerca de 6000 K, grandes quantidades de energia em um espectro contínuo.

No que se refere às técnicas de sensoriamento remoto por sistemas passivos, a faixa do espectro mais utilizada estende-se do ultravioleta (UV) até o infravermelho afastado (FIR, "far infra red"). A intensidade máxima da radiação solar corresponde a l = 0,47 mm, a partir do qual a diminuição energética na direção do UV se passa mais rápido, enquanto a diminuição na direção do FIR é marcada por uma curva irregular (Figura A-1).


Figura A-1 O espectro electromagnético, a transmissividade atmosférica e os comprimentos de onda usados em sensoriamento remoto (Fonte: Kronberg, 1984, p. 4)
A radiação natural forma uma espectro contínuo, que contém comprimentos de ondas de milésimos de nanômetros até dezenas de quilômetros. As técnicas de sensoriamento remoto por sistemas passivos, contudo, utilizam somente o intervalo de 0,2 até 12,5 mm, divido em bandas espectrais.

A banda espectral do visível (VIS) representa só um pequeno intervalo entre 0,4 mm e 0,7 mm, seguida pelo infravermelho (infrared, IR), que chega até 1000 mm. O IR pode ser dividido entre infravermelho próximo ou reflexivo ("near infrared", NIR), de 0,7 mm a 3 mm e o infravermelho afastado ou emissivo ("far infrared", FIR), de 3 mm a 1000 mm. O NIR comporta-se como a luz visível, porque também é provocado pela reflexão solar; enquanto o FIR é caracterizado pela radiação térmica reemitida pela Terra.

Influência atmosférica

Durante o seu caminho através da atmosfera, a radiação solar é atenuada pelos gases e aerossóis que a compõem. Alguns gases (oxigênio, ozônio, vapor d'água, gás carbônico) absorvem a energia eletromagnética em determinadas bandas do espectro, de maneira que a atmosfera é intransmissível à radiação nestas bandas (Tabela 1).
Gás
Bandas de absorção
O2 (oxigênio)
0 - 0,3 m m
O3 (ozônio)
5,0 - 9,5 m m
H2O (vapor d’água)
0,7 - 0,8 m m, 3,3 m m, 5,5 - 7,5 m m, 11,9 m m
CO2 (gás carbônico)
2,7 - 2,9 m m, 4,1 – 4,2 m m, 9,4 m m, 12,6 m m, 14,0 m m
Tabela 1. Bandas de absorção da atmosfera terrestre (Fonte: Lillesand & Kiefer, 1979, p. 390).
O grau de transmissão, ou transmissividade, representa a capacidade das ondas eletromagnéticas em penetrarem a atmosfera. As faixas de comprimento de onda para as quais a atmosfera parece transmissível são definidas como janelas atmosféricas. Elas têm grande importância, porque possibilitam a reflexão da radiação pela Terra e podem ser aproveitadas pelos sistemas sensores passivos.

Além de toda a banda do visível, as janelas mais importantes localizam-se no IR: são os intervalos entre 0,7 e 2,5 mm, de 3,5 até 4,0 mm e de 8,0 até 12,0 mm.

Caraterísticas espectrais de alvos selecionadas

A determinação da natureza dos alvos pelos métodos de sensoriamento remoto é baseada no fato de que diferentes materiais são caracterizados por reflectâncias próprias em cada banda do espectro. A reflectância, ou fator de reflexão, é proporcional à razão da radiação refletida pela radiação incidente. Quando as respostas espectrais de vários materiais são conhecidas, as propriedades de alvos desconhecidos podem ser determinadas pela comparação das respostas espectrais desses alvos com os dados de referência.

Característica de reflexão e espectro de vegetação

A determinação e a diferenciação da vegetação pelos métodos de sensoriamento remoto é possível no intervalo de 0,4 até 2,5 mm, pois neste intervalo as folhas são caracterizadas por comportamentos específicos de reflexão, absorção e transmissão. A Figura A-2 apresenta o comportamento típico de uma folha verde.

No VIS, o comportamento da reflexão é determinado pela clorofila, cuja absorção encontra-se no intervalo da luz azul (0,4 - 0,5 mm) e da luz vermelha (0,6 - 0,7 mm); enquanto reflete no intervalo da luz verde (0,5 -0,6 mm). A radiação incidente atravessa, quase sem perda, a cutícula e a epiderme, onde as radiações correspondentes ao vermelho e ao azul são absorvidas pelos pigmentos do mesófilo, assim como pelos carotenóides, xantófilas, e antocianidas, que causam uma reflexão característica baixa nos comprimentos de onda supracitados.

As clorofilas A e B regulam o comportamento espectral da vegetação e o fazem de maneira mais significativa em comparação com outros pigmentos. A clorofila absorve a luz verde só em pequena quantidade, por isso a reflectância é maior no intervalo da luz verde, o que é responsável pela cor verde das folhas para a visão humana.

No NIR (0,7 - 1,3 mm), dependendo do tipo de planta, a radiação é refletida em uma proporção de 30 a 70% dos raios incidentes, ainda que as superfícies das folhas e os pigmentos sejam transparentes para esses comprimentos de onda. Todavia, os sistemas pigmentais das plantas perdem a capacidade de absorver fótons nesse espectro, que é caracterizado por uma subida acentuada da curva de reflexão. O mínimo de reflexão neste comprimento de onda é causado pela mudança do índice de refração nas áreas frontais de ar/célula do mesófilo.

Nos comprimentos de ondas acima de 1,3 mm, o conteúdo de água das folhas influencia a interação com a radiação. A água dentro da folha absorve especialmente nas bandas em torno de 1,45 mm e 1,96 mm. Esta influência aumenta com o conteúdo de água. Uma folha verde caracteriza-se, nestas bandas, pela reflexão semelhante a de uma película de água. Por isso, estes comprimentos de onda, prestam-se à determinação do conteúdo hídrico das folhas. Folhas com conteúdo hídrico reduzido são caracterizadas por uma maior reflexão. A curva espectral depende do tipo de planta e, mais ainda, altera-se em função da estrutura e da organização celular.
Figura A-2 Refletividade espectral de uma folha verde e a capacidade de absorção de água (à esquerda.) e refletividade, absorvidade e transmissividade numa folha verde para a radiação no VIS e NIR (à direita). Figura A-3. Refletividade de um solo chernozêmico (em cima), um solo argila (no centro) e um solo laterítico (abaixo) no VIS e NIR em função da umidade (Fonte: Kronberg, 1984, p.38; Condit, 1970).
Refletividade de solos

As curvas espectrais dos solos sem vegetação apresentam, no intervalo espectral correspondente ao azul, valores de reflexão baixos, os quais aumentam continuamente em direção da luz vermelha, do NIR e do MIR ("mid infrared"). Por isso, as características de solos puros podem ser analisadas nestas bandas. Os parâmetros constantes, como tipo de mineral, granulação e conteúdo de material orgânico, assim como os parâmetros variáveis, como umidade do solo e rugosidade de superfície, influenciam a resposta espectral. Deve-se ressaltar a existência de elevada correlação entre os parâmetros constantes e os variáveis.

Os óxidos e os hidróxidos de ferro reduzem a reflexão na banda do azul e aumentam no intervalo espectral do verde ao NIR. Os valores de reflexão da hematita diferem dessa regra: a reflexão diminui no NIR e especialmente no MIR (Figura A-3).

Uma grande parte das substâncias orgânicas reduz a refletividade dos solos, especialmente nos comprimentos de onda acima de 0,6 mm.

Uma alta umidade do solo é caracterizada, em todos os comprimentos de onda, por valores baixos de reflexão, pois o índice de refração nas áreas frontais da interface água/partícula é menor que o índice de refração nessas áreas em solos secos. Em aerofotos e imagens de satélite, os solos úmidos são caracterizados por tons de cinza mais escuros, o que significa uma refletividade menor.

No entender de Wittje (1979), as faixas de absorção da água (1,4 mm e 1,9 mm) servem para determinar a quantidade de água no solo. As bandas de absorção da água nas curvas espectrais dos solos úmidos são diferentes daquelas nas curvas dos mesmos solos no estado seco (Figura A-4).


Figura A-4. Refletividade de um solo argiloso (a esquerda) e um solo de areia (a direita) no VIS, NIR e MIR em dependência da umidade (Fonte: Kronberg, 1984, p. 50; Lowe, 1969).
Refletividade de minerais e rochas

As rochas apresentam comportamentos espectrais semelhantes aos dos solos, o que não surpreende, uma vez que estes são produtos de alterações daquelas. Um dos elementos de maior diferenciação entre as curvas de rochas e de solos é a presença de matéria orgânica nestes. A Tabela 2 apresenta as faixas espectrais utilizadas na detecção da presença de óxidos de ferro ou argila em função de suas correspondentes bandas de absorção.
Região do espectro
Aplicação
0,44 - 0,55 m m
Detecção de ferro: várias bandas de absorção de óxido de ferro
0,80 - 1,00 m m
Detecção de Fe3+ (0,92 mm) e Fe2+ (1,0 mm)
1,60 m m
Identificação de zonas de alteração hidrotermal ricas em argila
2,17 m m
Detecção de minerais de argila
2,20 m m
Detecção de minerais de argila
2,74 m m
Detecção de minerais com hidroxila
Tabela 2 Regiões do espectro mais adequadas ao estudo de propriedades de minerais e rochas.
Refletividade de áreas urbanas

As áreas urbanas são caracterizadas por uma aparência heterogênea, causada pelo fato de a variação interna dessas áreas ser muito grande, devido à sua própria natureza. As áreas residenciais, por exemplo, são formadas por materiais variados, tais como concreto, asfalto vidro, ferro e vegetação. Há que se considerar, ainda, a influência das sombras causadas por edificações altas. Por isso, a refletividade de cidades só pode ser descrita de uma forma generalizada.

A refletividade é influenciada pelas formas, materiais e tipos de cobertura diferentes. A detecção de áreas urbanizadas representa um fator limitante para aplicação de classificações automáticas, pois a informação espectral pode ser parecida com a de solos puros ou de áreas agrícolas, os quais são caracterizados por um aumento regular da reflexão no intervalo do UV até o NIR. O aumento de reflexão causado pelas áreas urbanas não parece tão regular como aquele provocado pela vegetação ou pelos solos.


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