Sensoriamento Remoto - Apostilas - Engenharia Agrícola, Notas de estudo de Ciência Ambiental

Baixe Sensoriamento Remoto - Apostilas - Engenharia Agrícola e outras Notas de estudo em PDF para Ciência Ambiental, somente na Docsity! ETR =) APOSTILA INTRODUTÓRIA DE bl SENSORIAMENTO REMOTO E GEOPROCESSAMENTO EPA Depto. de Agronomia Prof. Getúlio Batista NASA, a Eis e < = 4 pe | = ra = =) Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 2 SENSORIAMENTO REMOTO 1 O que é Sensoriamento Remoto? Sensor = equipamento capaz de detectar sinais; vem de “sentir”. Remoto = longínquo, distante. Portanto, sensoriamento remoto é a aquisição de informações sobre objetos ou fenômenos da superfície terrestre, utilizando sensores, sem que haja contato direto entre eles, ou seja, à distância. 2 Que informação os sensores detectam? A informação que os sensores detectam é a energia ou radiação eletromagnética emitida, refletida ou transmitida pelos objetos. 3 De onde vem esta radiação eletromagnética? Toda matéria a uma temperatura superior a zero absoluto (0K ou -2730 C) emite radiação eletromagnética, como resultado de suas oscilações atômicas e moleculares. Porém, o principal corpo emissor de radiação eletromagnética é o Sol. Após incidir sobre a superfície terrestre, a radiação emitida pelo Sol poderá ser absorvida, refletida ou transmitida. Quando refletida ou transmitida, pode ser imediatamente detectada pelos sensores. Quando absorvida, a energia geralmente é reemitida em diferentes comprimentos de onda e só então detectada pelos sensores. Os processos de emissão, absorção, reflexão e transmissão serão detalhados mais adiante. 4 Como os sensores funcionam? A radiação eletromagnética detectada pelos sensores é convertida em um sinal passível de ser registrado e é apresentado de forma adequada à extração de informações (valores ou imagens). 5 O que é radiação eletromagnética? Radiação é aquilo que irradia, que sai em raios de algum lugar. A radiação eletromagnética é a transmissão de energia produzida pela aceleração de uma carga elétrica em um campo magnético. Por se propagar de forma ondulatória, também é chamada de onda eletromagnética. Porém, a absorção e a emissão da radiação eletromagnética pela matéria dá-se na forma de quanta (plural de quantum; "pacote" em grego) de energia. Esta é a dualidade onda-partícula que caracteriza a radiação eletromagnética, ora contínua, ora discreta. Assim, a Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 5 Infravermelho: Foi detectado a primeira vez por William Herschel em 1800. Qualquer corpo com temperatura acima do zero absoluto (0K ou -2730 C) emite radiação infravermelha e a maioria das substâncias absorve facilmente a radiação infravermelha, criando um efeito de aquecimento. Assim, qualquer aparelho que reaja a alterações de temperatura pode medir radiação infravermelha. Estende-se de 3x1011 a 4x1014Hz. Informalmente, é subdividido em 3 regiões: próximo (0,78 a 1,1µm), médio (2,5 a 5,0 µm) e distante (5,0 µm a 1mm). Grande importância para o Sensoriamento Remoto por fornecer informações a respeito da vegetação. É utilizado em controles remotos, em algumas câmeras fotográficas e em tratamentos fisioterapêuticos. Visível: Foi Newton quem descobriu que a luz branca é constituída por todas as cores do espectro e que o prisma não altera a luz branca, mas sim a dispersa nas suas cores constituintes. O sensor humano (olho-cérebro) é sensível apenas a esta região do espectro, não sendo capaz de detectar as demais. Pequena variação de comprimento de onda (0,38µm para o violeta até 0,78 µm para o vermelho). Em termos de freqüência, vai de 384x1012 até 769x1012Hz. Importante para o Sensoriamento Remoto, pois imagens obtidas nesta faixa, geralmente, apresentam excelente correlação com a experiência visual do intérprete. Ultravioleta: Descoberto por Johann Wilhelm Ritter no início do século 19. Possui efeito nocivo à pele humana, porém é absorvido pela camada de ozônio da atmosfera. O olho humano não consegue percebê-lo, no entanto alguns insetos e aves sim. Engloba extensa faixa do espectro (de 10 nm a 0,38 µm). Algumas substâncias, chamadas fluorescentes e fosforescentes, sujeitas à radiação ultravioleta emitem luz visível. Os vaga-lumes e alguns relógios Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 6 digitais possuem estas substâncias. Utilidade como bactericida pela grande atividade química e na detecção de minerais por luminescência. Raios X: Descobertos por William Roentgen em 1895, teve grande impacto pelas suas propriedades. Localiza-se na faixa de 10nm a 1Ao (1Ao = 10-10m) e de 2,4x1016 a 5x1019Hz. São gerados pela rápida desaceleração ou freada de elétrons em alta velocidade. Pelo seu alto poder penetrante, são utilizados no exame de ossos e dentes, na inspeção de bagagens em aeroportos, na detecção de pequenos defeitos metalúrgicos e na datação de documentos antigos. Raios GAMA: É a radiação eletromagnética mais penetrante e mais energética devido aos menores comprimentos de onda (abaixo de 1Ao = 1x10-10m). Seu comprimento de onda é tão pequeno que se torna muito difícil estudar seu comportamento ondulatório. A radiação gama provém de núcleos atômicos. Esta faixa de radiação é utilizada em tratamentos contra câncer por destruir as células malignas. O problema é que destrói também, indiscriminadamente, as células sãs. Este é o perigo que constitui os raios gama e por isso o poder de destruição da bomba nuclear lançada em Nagasaki em 1945. Não existe, em princípio, limite superior para a freqüência das radiações gama, embora ainda seja encontrada uma faixa superior de freqüência para a radiação conhecida como raios cósmicos. Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 7 6 Quais tipos de sensores existem? Os sensores podem ser classificados em função da fonte de energia ou em função do tipo de produto que produzem. Em função da fonte de energia: Passivos: Não possuem fonte própria de radiação, detectando apenas a radiação solar refletida, emitida ou transmitida pelos objetos da superfície. Dependem, portanto, de uma fonte de radiação externa (geralmente, o Sol) para que possam operar. Ex.: Sistemas fotográficos (sem flash como é o caso das câmeras aerofotogramétricas). Ativos: São aqueles que produzem sua própria radiação eletromagnética, emitindo-a e depois registrando a resposta que retorna após interação com o alvo. Trabalham em faixas restritas do espectro (microondas). Ex.: Radares e Lidares (laser). Em função do tipo de produto: Não imageadores: Não geram imagem da superfície sensoriada, mas sim gráficos ou dígitos, que são transferidos para um computador acoplado. São essenciais para aquisição de informações precisas sobre o comportamento espectral dos objetos. Operados manualmente, são utilizados em terra, embarcados ou aerotransportados. Ex.: Radiômetros Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 10 A altitude do sensor em relação à superfície imageada é um fator de grande interferência, não só na qualidade do sinal, como no tratamento e na análise dos dados. Ao passar de um nível para outro, modificam-se as dimensões da área imageada, obtendo-se, conseqüentemente, imagens com diferentes escalas, o que exigirá diferentes metodologias. A escolha do nível de aquisição e do sensor a serem utilizados dependerá fundamentalmente do que se pretende estudar. Dois fatores importantes relacionadas ao nível de aquisição dos dados são as geometrias de iluminação e de visada. A primeira refere-se ao posicionamento da fonte de radiação eletromagnética em relação ao objeto, enquanto que a segunda refere-se ao posicionamento do sensor. Os níveis e as geometrias condicionam as medidas, de modo que os resultados obtidos são específicos para aquelas situações. A coleta de dados de campo, constituindo uma verdade terrestre, pode ser vital na avaliação da qualidade dos dados obtidos em nível de aeronave e orbital. A combinação de plataformas aérea e espacial também pode fornecer excelentes resultados. 8 O que é uma imagem orbital? Uma imagem orbital pode ser definida por uma função bidimensional na forma I (x, y), onde os valores de I representam a intensidade de radiação eletromagnética refletida ou emitida na coordenada espacial (x, y), em faixas bem definidas do espectro eletromagnético (bandas espectrais). O ponto x,y imageado pelo sensor corresponde a uma área mínima no terreno denominado “pixel” (picture element), cujas dimensões estão associadas à resolução espacial do sensor (será explicado adiante). A intensidade de radiação eletromagnética refletida ou emitida em um pixel é convertida em valores inteiros de nível de cinza, numa escala de zero a 255 (para o caso de sensores com codificação da radiação em 8 bits). Zero significa a ausência de radiação eletromagnética refletida ou emitida naquele pixel, representada pela cor preta, e 255 significa o nível máximo de reflexão ou emissão de radiação eletromagnética, representada pela cor branca. Os níveis intermediários aparecem em uma escala de tons de cinza, do mais escuro (nível 1) ao mais claro (nível 254). Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 11 Portanto, a imagem orbital é um arquivo formado por linhas e colunas de pixels, podendo ser utilizada pictoricamente, considerando-se a imagem formada pelos tons de cinza, ou como uma matriz numérica, apenas através dos valores de zero a 255. Para cada banda espectral (faixa do espectro eletromagnético), é gerada uma imagem digital em P&B. Um mesmo pixel geralmente possui diferentes valores de nível de cinza em cada banda espectral, indicando seu “comportamento espectral” em cada região do espectro, o qual está relacionado às suas propriedades físico-químicas (ver Pergunta 10). Idealmente, o pixel deve estar geograficamente identificado, ou seja, possuir coordenadas geográficas, além das coordenadas de imagem (linha, coluna) para que se saiba a que ponto da superfície terrestre ele corresponde e para permitir o monitoramento ao longo do tempo. 9 Quais características de uma imagem orbital? Primeiramente, é necessário introduzir um conceito físico muito importante em Sensoriamento Remoto: radiância. Radiância é o fluxo de energia radiante proveniente de uma fonte, em determinada direção, por unidade de ângulo sólido (fluxo de energia no cone de visado do sensor). É isto que o sensor detecta. Uma imagem tem um número finito de bits para representar a radiância refletida ou emitida pela cena em cada pixel. Bit é a unidade mínima de informação com que trabalham os sistemas informáticos e resulta da contração das palavras Binary Digit (Dígito Binário). Os dígitos encontrados no sistema binário são apenas o ZERO e o UM (dois estados: ligado ou desligado). Portanto, o ZERO e o UM são os dois estados possíveis de um bit. Toda a informação com que opera um sistema informático é constituída por agrupamentos de bits, com os quais se representam números, letras, palavras, formas gráficas, cores, etc. Utilizando-se apenas 1 bit, temos duas representações possíveis (0 e 1). Com 2 bits, poderemos ter quatro combinações (00, 01, 10, 11). Já com 3 bits, o número de representações possível será 8 (i.e., podemos representar ou escrever 8 números com 3 bits de informação). Logo, o número de representações possíveis é 2n , sendo que n é o nº de bits utilizados. Percebe- se também que o número de representações possíveis duplica à medida que se acrescenta mais um bit. Os agrupamentos de bits mais utilizados são os múltiplos de 8 (8, 16, 24, 32, etc.), sendo que os agrupamentos de 8 bits constituem uma outra unidade importante, o byte. 1 byte = 8 bits = 256 representações possíveis 1 Kilobyte (Kb) = 1024 bytes 1 Megabyte (Mb) = 1024 Kb 1 Gigabyte (Gb) = 1024 Mb 1 Terabyte (Tb) = 1024 Gb Em resumo, os números binários zero e um são chamados de bits e o conjunto de 8 bits é chamado de byte, que pode representar um caractere (letras, números, símbolos, etc.). Por exemplo, uma tecla do computador, a letra A, é constituído de 8 bits e que constitui 1 byte. Assim sendo, se uma página escrita contém em média 3.500 bytes, isto equivale dizer que um disquete de 3 1/2", com 1,4 Mbytes, pode conter cerca de 400 páginas escritas. Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 12 Voltando à representação da radiância de uma imagem, foi dito que existe um número finito de bits para representá-la. A radiância de um pixel é de natureza contínua, porém é representada por um número discreto de níveis de cinza, dado pelo número de bits por pixel característico do sensor em questão. Os sensores normalmente obtêm imagens em 8 ou 10 bits (equivalente a 256 ou 1024 níveis digitais). Em sensores modernos como no caso do satélite IKONOS a radiância é representada por 11 bits (2048 níveis digitais). O nível de cinza representa a radiância média de uma área relativamente pequena em uma cena. Esta área corresponde a um pixel, o qual é determinado pela altitude do sistema sensor a bordo do satélite e pelo ângulo formado pela projeção geométrica de um único elemento detector sobre a superfície da Terra (IFOV = “Instantaneous Field Of View” ou campo de visada instantâneo, em português). Outro conceito importante para o entendimento do que seja uma imagem orbital é o de banda espectral. Banda espectral é um intervalo entre dois comprimentos de onda no espectro eletromagnético. Antigamente usava-se muito o termo canal, como sinônimo de banda. O nome da banda espectral geralmente refere-se à região do espectro onde está localizada. Os sensores normalmente adquirem imagens em pelo menos 3 bandas espectrais, a partir das quais montam-se as imagens coloridas. Na Pergunta 8 foi dito que para cada banda espectral é gerada uma imagem em P&B. A combinação de 3 imagens P&B de diferentes bandas, cada uma delas associada a uma das cores fundamentais (azul, verde e vermelho) gera uma composição colorida, ou uma imagem colorida. AZUL VERMELHO VERDE Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 15 É importante ressaltar que a resolução temporal refere-se a tomada de dados com as mesmas condições de geometria de visada. Alguns satélites atuais te um mecanismo que permite programar a visada lateralmente e com isso aumentar o período de revisita (ex. SPOT, CBERS, IKONOS, etc.). Contudo, ao aumentar a revisita de uma certa cena ele deixa de imagear outra que estaria localizada verticalmente abaixo do satélite (nadir). Essa característica pode ser importante para o monitoramento de eventos episódicos como queimadas, inundação, derramamento de óleo, etc.. As diferentes bandas espectrais dos sensores têm aplicações distintas em estudos de sensoriamento remoto. Para orientar o usuário na seleção das melhores bandas a serem utilizadas em seu trabalho, apresenta-se a tabela a seguir: SATÉLITE LANDSAT - SENSOR TM Canal Faixa Espectral (µm) Principais aplicações 1 0,45 - 0,52 Mapeamento de águas costeiras Diferenciação entre solo e vegetação Diferenciação entre vegetação coníferas e decídua 2 0,52 - 0,60 Reflectância de vegetação verde sadia 3 0,63 - 0,69 Absorção de clorofila Diferenciação de espécies vegetais 4 0,76 - 0,90 Levantamento de biomassa Delineamento de corpos d'água 5 1,55 - 1,75 Medidas de umidade da vegetação Diferenciação entre nuvens e neve 6 10,4 - 12,5 Mapeamento hidrotermal 7 2,08 - 2,35 Mapeamento de estresse térmico em plantas Outros mapeamentos térmicos SATÉLITE NOAA - SENSOR AVHRR Canal Faixa Espectral (µm) Principais aplicações 1 0,58 - 0,68 Mapeamento diurno de nuvem, gelo e neve Definição de feições de solo e cobertura vegetal, 2 0,725 - 1,1 Delineamento da superfície da água Definição de condições de fusão de neve e gelo Avaliação da vegetação e monitoramento meteorológico (nuvens) 3 3,55 - 3,93 Mapeamento noturno e diurno de nuvens Análise da temperatura (C) da superfície do mar Detecção de pontos quentes (incêndios) 4 e 5 10,30 - 11,30 (4) 11,50 - 12,50 (5) Mapeamento noturno e diurno de nuvens Medição da superfície do mar, lagos e rios Detecção de erupção vulcânica Umidade do solo, atributos meteorológicos das nuvens Temperatura da superfície do mar e umidade do solo Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 16 SATÉLITE SPOT - SENSOR HRV Canal Faixa Espectral (µm) Principais aplicações 1 0,50 - 0,59 Reflectância de vegetação verde sadia Mapeamento de águas 2 0,61 - 0,68 Absorção da clorofila Diferenciação de espécies vegetais Diferenciação de solo e vegetação 3 0,79 - 0,89 Levantamento de fitomassa Delineamento de corpos d'água Pan 0,51 - 0,73 Estudo de áreas urbanas 10 O que é Comportamento Espectral de Alvos? A superfície terrestre é composta de uma série de objetos que são observados pelos satélites, como por exemplo: vegetação, solos, rochas, água, asfalto, telhados, concreto, entre outros. Quando a radiação eletromagnética incide sobre um objeto, três fenômenos podem ocorrer: absorção, reflexão e transmissão. A fração de radiação eletromagnética absorvida, refletida e transmitida em relação ao total de radiação incidente (REM) caracteriza três propriedades: absortância (α), reflectância (ρ) e transmitância (τ), respectivamente, tal que: 1=++ = = = τρα τ ρ α teREMinciden smitidafraçãotran teREMinciden etidafraçãorefl teREMinciden rvidafraçãoabso Radiação Eletromagnética reflexão absorção transmissão Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 17 Ou seja, a soma da porção que foi absorvida pelo objeto, com a porção que foi refletida e com a que foi transmitida deve ser igual à quantidade total de radiação que incidiu sobre o objeto. As propriedades de absortância, reflectância e transmitância são dependentes das características físico-químicas dos alvos, as quais irão definir as intensidades de absorção, reflexão e transmissão em cada comprimento de onda. Ou seja, cada alvo comporta-se de uma maneira ao interagir com a radiação eletromagnética, podendo-se diferenciá-los através das suas curvas espectrais de absorção, reflexão e transmissão. Entretanto, como a principal propriedade estudada é a reflectância, ao usar o termo comportamento espectral de alvos, geralmente está-se referindo apenas às propriedades de reflexão, quando o mais abrangente seria considerar todas as três propriedades. Os sensores orbitais detectam apenas a radiância refletida ou emitida. Já no caso dos radiômetros, é possível medir tanto a radiância refletida, quanto a transmitida e, a partir destas, inferir a radiância absorvida. Na figura abaixo observa-se um gráfico das curvas de reflectância de vários alvos, na região do visível e em parte da região do infravermelho próximo. Note as diferenças de comportamento espectral dos diversos alvos ao longo do espectro. Outra observação interessante é que a maioria das curvas encontram-se muito próximas entre si na região do visível (até 0,7µm), em contraste com um maior distanciamento entre elas na região do infravermelho próximo (acima de 0,7µm). Isto indica que na região do visível os alvos são mais “parecidos”, enquanto que na região do infravermelho próximo eles podem ser mais facilmente diferenciados. Nos pontos onde as curvas se tocam, os alvos apresentam o mesmo valor de reflectância, ou seja, têm a mesma “aparência” quando observados naquela região do espectro. Por exemplo, se fosse possível gerar uma imagem apenas em 0,7µm, a grama natural e o cascalho apareceriam iguais e indiferenciáveis. Já na região de 0,8µm, eles são perfeitamente distinguíveis. Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 20 A presença de matéria orgânica dissolvida é um dos principais responsáveis pelo aumento do coeficiente de absorção da água. A figura a seguir mostra o espectro de absorção por matéria orgânica dissolvida em um lago, destacando que sua presença na água provoca profundas modificações no processo de absorção da luz no meio aquático. Comparando com o gráfico anterior, nota-se que o máximo de absorção da água com matéria orgânica dissolvida ocorre na região de mínima absorção da água pura. É na região do azul que se dá o maior contraste entre a absorção da água pura e da água com alta concentração de matéria orgânica dissolvida. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 300 400 500 600 700 Comprimento de Onda (nm) C oe fic ie nt e de A bs or çã o da M at ér ia O rg ân ic a D is so lv id a (m -1 ) O coeficiente de absorção da clorofila (figura abaixo) tem dois máximos, um na região do azul, em torno de 0,45 µm e outro na região do vermelho, em torno de 0,65 µm. Estes máximos estão associados às clorofilas a e b, respectivamente, que têm seus picos de absorção em 430 µm e 665 µm. A clorofila ocorre abundantemente nas mais diferentes espécies de algas e sua concentração, em miligrama pó m3, geralmente é utilizada como uma medida da abundância fitoplâncton. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 400 450 500 550 600 650 700 Comprimento de onda (nm) C oe fic ie nt e de A bs or çã o da C lo ro fil a (m -1 ) 50 mg m-3 5mg m-3 A presenças de partículas orgânicas e inorgânicas na água também aumentam o seu coeficiente de absorção. Essas partículas em geral apresentam espectro de absorção semelhante ao da matéria orgânica dissolvida, mas sua magnitude é bem menor, variando entre 0,3 m-1 a 1,5 m-1 em condições de águas bastante túrbidas. Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 21 O espalhamento no meio aquático é provocado pela própria água e pelas partículas vivas e não vivas em suspensão na água. O espalhamento da luz por um corpo d’água limpo é máximo na região do azul e reduz exponencialmente em direção a comprimentos de onda mais longos. Uma água natural contém uma quantidade variável de partículas de diversos tamanhos (desde pequenas moléculas de 0,1 nm até vírus de cerca de100 nm ou peixes). O material particulado encontrado em suspensão na coluna d’água é de duas origens: biológica e física. As partículas de importância óptica são as bactérias, o fitoplâncton e o zooplâncton, que crescem, se reproduzem e morrem dando origem a partículas orgânicas. As partículas inorgânicas têm sua origem no intemperismo das rochas e solos e são as que mais afetam as propriedades ópticas da água. As partículas orgânicas ocorrem em diversas formas tais como vírus, colóides, bactérias, fitoplâncton, detritos orgânicos, zooplâncton. Embora individualmente vírus, bactérias e colóides não sejam espalhadores eficientes de luz, visto que suas dimensões são menores do que os comprimentos de onda do visível, estudos recentes mostram que devido à grande concentração com que ocorrem na água, contribuem significativamente para o retro-espalhamento. O fitoplâncton ocorre em uma grande diversidade de espécies, tamanhos, formas e concentrações. Já o fitoplâncton pode variar entre 1µm e 200µm, sendo em geral muito maiores do que o comprimento de onda e eficientes espalhadores da luz. Como o espalhamento é proporcional também ao número de partículas no meio aquático e como para um mesmo peso de partículas, há maior número de partículas pequenas, em geral, partículas finas resultam em maiores coeficientes de espalhamento. A figura abaixo mostra o comportamento espectral de um corpo d’água sujeito a concentrações variáveis de sólidos em suspensão. O que se observa é um aumento da reflectância da água em todos os comprimentos de onda. Entretanto, a região mais sensível é a compreendida entre o verde e o vermelho, fazendo com que, em imagens coloridas, rios com alta concentração de sólidos em suspensão apresentem a cor amarela, como o Rio Madeira, abaixo. A quantificação da quantidade existente nessa exata data requereria, entretanto, calibração com dados de campo. Observando a mesma figura, podemos verificar que a lagoa ao lado, tem cor marrom, ou seja, alta reflectância no verde e no vermelho, mas inferior àquela do rio. Isto permite duas hipóteses: a concentração de sólidos é menor na lagoa (em decorrência da decantação) ou a lagoa tem alta concentração de matéria orgânica dissolvida. Tais hipóteses só podem ser comprovadas em campo, ou com a análise de imagens hiperespectrais. Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 22 450 nm 550 nm 750 nm 950 nm SSC (mg/l) 6 5 4 3 2 1 1 - 0 2 - 35 3 - 105 4 - 210 5 - 350 6 - 590FRB (%) 0 14 Solos Diversos fatores afetam o comportamento espectral do solo, tais como a cor, o tipo, o teor de matéria orgânica, o teor de ferro, a composição mineralógica do solo, o teor de umidade e a sua textura (proporções de argila, silte e areia). O aspecto complicador no estudo do comportamento espectral de solos é que em laboratório é possível isolar esses componentes e estudar seus efeitos na resposta espectral do solo individualmente. Mas, na natureza, esses componentes encontram-se relacionados, por vezes reforçando o efeito sobre o outro, outras vezes, anulando. Entretanto, de um modo geral, podemos dizer que a reflectância média do solo aumenta progressivamente com o comprimento de onda. Sobre este comportamento padrão, existem as variações conforme os fatores expostos acima: • Solos mais claros apresentam uma curva de reflectância com valores mais altos que solos escuros; • Para solos com a mesma composição mineralógica, com o aumento do tamanho das partículas, a tendência é uma curva de reflectância com valores mais baixos; • Quanto maior o teor de umidade, menor é a reflectância do solo em todos os comprimentos de onda. Entretanto, este efeito não é o mesmo para todos os tipos de solo. Estudos mostram que quanto menor for a reflectância média de um solo quando seco, menor será a variação da reflectância com a umidade. Ainda assim, para um mesmo solo, uma redução de reflectância em todos os comprimentos de onda pode ser interpretada como um aumento do teor de umidade do solo; • Solos com alto teor de óxido de ferro e compostos por minerais opacos apresentam reflectância mais baixa do que solos com baixo teor de óxido de ferro. A presença de minerais opacos além de reduzir a reflectância dos solos em todos os comprimentos de onda, mascara as bandas de absorção relativas à presença da água e de minerais de argila tais como a caulinita (1400 nm) e a montmorilonita (2200 nm). Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 25 Podzólico Vermelho Escuro 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 350 500 650 800 950 1100 1250 1400 1550 1700 1850 2000 2150 2300 2450 Comprimento de Onda (nm) Fa to r d e R ef le ct ân ci a Vegetação Os estudos de comportamento espectral da vegetação podem ser realizados nos quatro níveis de coleta de dados: laboratório, campo, aéreo e orbital. Em laboratório, geralmente são consideradas as folhas, partes de plantas ou arranjos de plantas, dos quais são coletados dados radiométricos para caracterização espectral de fenômenos ou aspectos relacionados ao processo de interação com a radiação eletromagnética. Em campo, os dados podem ser coletados diretamente das folhas ou através de veículos como plataformas (móveis ou fixas), que permitem a colocação dos sensores imediatamente acima dos dosséis vegetais, segundo as mais diferentes disposições. Nos níveis aéreo e orbital, podem ser utilizados máquinas fotográficas, radiômetros e sensores eletro-ópticos. O principal objetivo no estudo da vegetação através de sensoriamento remoto é compreender a “aparência” que uma dada cobertura vegetal tem em um determinado produto de sensoriamento remoto, que é fruto de um processo complexo que envolve muitos parâmetros e fatores ambientais. Um dossel é constituído por muitos elementos, como folhas, galhos, frutos, flores, sombra, etc. Um fluxo de radiação incidente sobre qualquer um destes elementos estará sujeito a dois processos: espalhamento e absorção. O processo de espalhamento, por sua vez, pode ser dividido em dois sub-processos: reflexão e transmissão. O destino do fluxo radiante incidente sobre um destes elementos é dependente das características do fluxo (comprimentos de onda, ângulo de incidência e polarização) e das características físico-químicas destes elementos. De todos os elementos da vegetação, a folha constitui o principal deles quando se considera o processo de interação com a radiação eletromagnética. Para uma melhor compreensão das características de reflectância da radiação Matéria Orgânica Fe2O3 H2O e OH- H20 e Vermiculita Caulinita OH- Gibbsita Nitossolo Vermelho Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 26 eletromagnética incidente sobre uma folha é necessário conhecer sua composição química (pigmentos fotossintetizantes) e sua morfologia interna (distribuição e quantidade de tecidos, espaços intercelulares, etc). Uma folha típica é constituída de três tecidos básicos que são: epiderme, mesófilo fotossintético e tecido vascular. A epiderme recobre e protege a folha. Abaixo da epiderme encontra-se o mesófilo fotossintético, subdividido em uma ou várias camadas de células alongadas, que formam o parênquima. Intercalando o mesófilo existem os espaços intercelulares cheios de ar, que se abrem para fora através dos estômatos (via de acesso para o CO2 que entra e o O2 e H2O que saem). O tecido vascular serve para suprir a folha de água e nutrientes e de passagem para os produtos da fotossíntese que são produzidos na folha, para as demais partes da planta. As estruturas das células que compõem os três tecidos das folhas são muito variáveis, dependendo da espécie e das condições ambientais. A trajetória da radiação eletromagnética dentro de uma folha é baseada na sua estrutura interna e se dá através de vários meios, compostos por água, ar e membranas celulares, todos com diferentes índices de refração. Além das diferenças de índices de refração, as células dos tecidos foliares, possuem estruturas irregulares, orientadas espacialmente sob diversos ângulos. A figura abaixo mostra as possíveis trajetórias da radiação eletromagnética dentro de uma folha. Uma pequena quantidade de luz é refletida pelas células da camada superficial. A maior parte é transmitida para o mesófilo esponjoso, onde os raios incidem nas paredes celulares e são refletidos. Esta reflexão múltipla é um processo aleatório, no qual os raios mudam de direção dentro da folha. Dado o grande número de paredes celulares dentro da folha, alguns raios são refletidos de volta, enquanto outros são transmitidos através da folha. A espessura da folha é um fator importante no caminho da radiação eletromagnética, já que geralmente a transmitância é maior do que a reflectância para folhas finas. A figura abaixo mostra a curva de reflectância característica de uma folha verde sadia. Os comprimentos de onda relativos ao ultravioleta não foram considerados, porque uma grande quantidade dessa energia é absorvida pela atmosfera e a vegetação não faz uso dela. Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 27 Esta figura mostra a região entre 0,4µm a 2,5µm dividida em três áreas: • região do visível (0,4µm a 0,7µm); • região do infravermelho próximo (0,7µm a 1,1µm); • região do infravermelho médio (1,1µm a 2,6µm). Os principais aspectos relacionados ao comportamento espectral da folha, em cada uma destas regiões são: • Região do visível: a reflectância espectral desta região é dominada pelos pigmentos existentes nas folhas. Estes pigmentos, encontrados nos cloroplastos, são: clorofila (65%), carotenos (6%), e xantofilas (29%). Estes valores podem variar de espécie para espécie. A energia radiante interage com a estrutura foliar por absorção e por espalhamento. A maior parte da energia incidente é absorvida seletivamente pela clorofila e é convertida em calor ou fluorescência, e também convertida fotoquimicamente em energia estocada na forma de componentes orgânicos através da fotossíntese; • Região do infravermelho próximo: nesta região existe pequena absorção da radiação eletromagnética e considerável espalhamento interno devido à interação da energia incidente com a estrutura do mesófilo. De maneira geral, quanto mais lacunosa for a estrutura interna foliar, maior será o espalhamento interno da radiação incidente, e conseqüentemente, maior será também a reflectância. A absorção de radiação eletromagnética pela água é geralmente baixa nessa região e a reflectância espectral é praticamente constante; • Região do infravermelho médio: a absorção de radiação eletromagnética pela água líquida existente nas folhas predomina o comportamento da reflectância espectral das folhas nesta região. Existem alguns comprimentos de ondas onde esta absorção é mais intensa: 1,1µm; 1,45µm; 1,95µm e 2,7µm. Esta compreensão da reflectância espectral de uma folha permite a interpretação dos resultados obtidos através de coletas realizadas em níveis de laboratório e campo e também da interação da radiação eletromagnética com os diversos tipos fisionômicos de dosséis (florestas, culturas agrícolas, formações de porte herbáceo, etc.). Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 30 • Imageamento cíclico da superfície, para garantir a observação periódica e repetitiva dos mesmos lugares (monitoramento); • Síncrona com o Sol (heliossíncrona), para que as condições de iluminação da superfície terrestre permaneçam constantes; • Horário da passagem do satélite deve atender às solicitações de diferentes áreas de aplicação (geologia, geomorfologia, agricultura, etc.) e otimizem a cobertura de nuvens e a iluminação. Existe atualmente uma infinidade de satélites em órbita e em teste para futuros lançamentos: os tradicionais Landsat e SPOT operando na região óptica, os de alta resolução espacial Ikonos e QuickBird, os brasileiros em cooperação internacional CBERS e SAC-C, os radares JERS, ERS e Radarsat, o meteorológico que também serve para sensoriamento remoto, NOAA, além de muitos outros como Envisat (com um radar e um espectrômetro a bordo), EROS, Orbview, IRS, Terra e Aqua (com vários sensores, dentre eles, o MODIS). A tabela abaixo apresenta as características de alguns dos principais satélites de sensoriamento remoto no momento: Landsat 7, SPOT 5, Iknos II, CBERS e ERS-2. Landsat 7 SPOT 5 Ikonos II CBERS ERS 2 Órbita Circular 98,2 graus Heliossíncrono Circular 98,7 graus Heliossíncrono Circular 98,1 graus Heliossíncrono Circular 98,5 graus Heliossíncrono Circular 98,5 graus Heliossíncrono Período 98 min 101,4 min 98 min 100,26 min 100,467 min Altitude 705 km 822 km 681 km 778 km 785 km Cruzamento no Equador 10:15 h 10:30 h 10:30 h 10:30 h Ciclo 16 dias 26 dias Revisita de 1,5 a 2,9 dias (Resolução temporal longa) 26 dias (CCD e IRMSS) 5 dias (WFI) 35 dias (SAR) 12 Quais são as características do Programa LANDSAT? No dia 23 de julho de 1972, a NASA (National Aeronautics and Space Administration) lançou nos Estados Unidos um primeiro satélite chamado ERTS 1 (Earth Resources Technology Satellites), no quadro do Programa Espacial “Earth Resources Technology Satellite”, Este Programa Espacial e os satélites que o compõe foram em seguida rebatizados de “Landsat”, para melhor sugerir o enfoque do seu esforço sobre Sensoriamento Remoto de Recursos Naturais Terrestres. Foram lançados 7 satélites do Programa Landsat desde 1972 , sendo que 6 deles forneceram imagens da Terra, como segue: • Landsat 1: Lançado em 23/07/72 - Desativado em 06/01/78 • Landsat 2: Lançado em 22/01/75 - Desativado em 52/02/82 • Landsat 3: Lançado em 05/03/78 - Desativado em 31/03/83 • Landsat 4: Lançado em 16/07/82 - Em órbita, mas TM não imageia desde agosto de 1993 • Landsat 5: Lançado em 01/03/84 - Ativo até o momento • Landsat 6: Lançado em 05/10/93 - Perdido após o lançamento • Landsat 7: Lançado em 15/04/99 - Ativo até o momento Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 31 A primeira geração do programa Landsat (Landsat 1, 2 e 3), tinha 2 sensores: a câmera RBV (Return Beam Vidicon) e o sensor MSS (Multispectral Scanner), com diferentes formas de imageamento. O sistema RBV possui imageamento por sistema de quadros e o sistema MSS possui imageamento por sistema de varredura. O Landsat 3 foi lançado com sistema RBV modificado, provendo dados com melhor resolução espacial em uma única faixa do espectro e uma faixa espectral adicionada ao sistema MSS, para operar na região do infravermelho termal. Em razão de problemas técnicos no RBV e da superioridade técnica do MSS, do ponto de vista espectral e radiométrico, o RBV foi muito pouco utilizado. Nesta primeira geração, o tempo que o satélite levava para passar novamente sobre o mesmo ponto (resolução temporal) era de 18 dias. Imageador RBV (Return Beam Vidicon): sistema semelhante a uma câmera de televisão, permitindo o registro instantâneo de uma certa área do terreno. A energia proveniente de toda a cena impressiona a superfície fotossensível do tubo da câmera e, durante certo tempo, a entrada de energia é interrompida por um obturador, para que a imagem do terreno seja varrida por um feixe de elétrons. O sinal de vídeo é então transmitido telemetricamente. Imageador MSS (Multispectral Scanner): sistema que permite o imageamento de linhas do terreno numa faixa de 185 km, perpendiculares à órbita do satélite. A varredura do terreno é realizada com auxílio de um espelho que oscila perpendicularmente ao deslocamento do satélite. Durante a oscilação do espelho, a imagem do terreno, ao longo da faixa, é focalizada sobre uma matriz de detectores. A dimensão de cada detector é responsável pelo seu campo de visada instantâneo (área observada por cada detector na superfície da Terra). A energia registrada por cada detector é transformada em um sinal elétrico e este transmitido para as estações em terra. A cada oscilação do espelho, o satélite desloca-se ao longo da órbita, para proporcionar o imageamento contínuo do terreno. Entretanto, o movimento de rotação da Terra provoca um pequeno deslocamento do ponto inicial da varredura para oeste a cada oscilação do espelho, ou seja, a cada seis linhas imageadas. Se considerarmos o deslocamento de 185 km ao longo da órbita do satélite, há um deslocamento de 12,5 cm entre a primeira e a última coluna de pixels. Por isso uma imagem Landsat nunca é um retângulo com ângulos de 90 graus (figura abaixo). A segunda geração do programa Landsat foi iniciada em 1982, com o lançamento do satélite Landsat 4, que já possuía o sensor TM (Thematic Mapper) operando em 7 bandas espectrais, além do MSS. Com o Landsat 4, o tempo de revisita passou a ser de 16 dias. Porém, logo após o lançamento, esse satélite ficou inoperante. O Landsat 5 possui apenas o sensor TM e, de acordo com as previsões técnicas baseadas nas performances atuais do satélite, deverá ficar operacional por mais alguns anos após a virada do século. Sua longa vida útil Sentido de rotação da Terra Sentido de imageamento Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 32 e a qualidade dos dados gerados permitiram não apenas muitos anos de estudos sobre os diversos aspectos da superfície terrestre, como também a continuidade destes estudos, pois o Landsat 6 foi perdido no lançamento e não havia previsão para o lançamento do Landsat 7. De 1993 a 1999, o Landsat 5 foi o grande “herói” fornecedor de imagens aos milhares de pesquisadores e usuários de sensoriamento remoto em todo mundo. Ainda hoje, com o Landsat 7 em operação, o Landsat 5 constitui a possibilidade de aquisição de cenas em datas alternativas às do Landsat 7, dado que ambos estão defasados de meia órbita, ou seja, de 8 dias. O Landsat 7 marca o início da terceira geração do programa Landsat. É o mais recente satélite em operação do programa americano. O novo satélite foi lançado com um novo sensor a bordo, denominado ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus). Sua vida útil está prevista para ser superior a 5 anos em órbita. Uma imagem Landsat 7 ETM+ é composta por 8 bandas espectrais, uma a mais que o Landsat 5. Entre as principais melhorias técnicas comparado ao seu antecessor, o Landsat 5, destacam-se a adição de uma banda espectral (banda pancromática) com resolução de 15 m, perfeitamente registrada com as demais bandas, melhorias nas características geométricas e radiométricas e o aumento da resolução espacial da banda termal para 60 m. Esses avanços tecnológicos permitem qualificar o Landsat 7 como sendo o satélite mais interessante para a geração de imagens de satélites com aplicações diretas até a escala 1:25.000, em áreas rurais principalmente, mesmo em grandes extensões de território, como acontece freqüentemente no Brasil. As imagens geradas pelo Landsat 7 adquiridas pelo sensor ETM+ apresentam a melhor relação custo/benefício entre os dados gerados por satélites de média resolução espacial (15 a 30 metros) atualmente oferecidos no mercado. Imageador TM (Thematic Mapper): sistema de varredura multiespectral concebido para obter melhor resolução espacial, melhor discriminação espectral entre objetos da superfície terrestre, maior fidelidade geométrica e melhor precisão radiométrica em relação ao sensor MSS. A energia proveniente da cena atinge o espelho de varredura que oscila perpendicularmente à direção de deslocamento do satélite em sentido leste- oeste e oeste-leste. O sinal atravessa um telescópio e um conjunto de espelhos, cuja função principal é corrigir o sinal coletado pelo espelho de varredura. Dessa maneira, o sinal detectado em cada matriz de detectores de cada canal é transferido para um amplificador e convertido em sinal digital através de um sistema A/D (analógico/digital). A saída de dados é, então transmitida via telemetria. 13 Quais são as características do Programa SPOT? O programa francês SPOT (Satellite Pour l'Observation de la Terre) foi planejado e projetado como um sistema operacional comercial de observação da Terra. Estabelecido por iniciativa do governo francês em 1978, com a participação da Suécia e Bélgica, o programa é gerenciado pelo Centre National d'Etudes Spatiales (CNES), que é o responsável pelo desenvolvimento do programa e operação dos satélites. Já foram lançados com sucesso os SPOT 1, 2, 3, 4 e 5. Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 35 cena, entre outros. Abaixo, um esquema das órbitas/pontos do Landsat sobre o Brasil e os quadrantes de uma cena. Definida a órbita/ponto, parte-se para a escolha das datas de interesse. De modo geral, existe uma grande opção de datas para cada órbita/ponto, entretanto, algumas regiões do Brasil (como o nordeste) apresentam intensa cobertura de nuvens no período da manhã, horário em que o satélite passa, dificultando a disponibilidade de imagens livres de nuvens. Para cada data de passagem de uma determinada órbita/ponto, estão disponíveis informações da cobertura total de nuvens da cena e por quadrante (de 0 a 100%) e ainda, o nível de visibilidade da cena, que está associado à presença e à intensidade de névoas (de 0 a 9). Estes são os principais pré-requisitos para se elaborar um pedido de imagem e podem ser definidos através do site do INPE: http://cbs.dgi.inpe.br:4444/ O passo seguinte será definir o nível de correção e o formato da imagem (dentre os tipos especificados na Pergunta 14). A mídia é CD-ROM, exceto se o usuário desejar o produto em papel fotográfico. Os níveis de correção geométrica disponíveis são 0R, 1R e 1G: Nível 0R (“raw uncorrected”) : Dados brutos com as bandas espectrais alinhadas espacialmente. Nível 1R (“radiometric correction”) : Imagem com correção radiométrica, sem associação com um sistema de projeção. Nível 1G (“systematic correction”) : Imagem com correções radiométrica e geométrica, associadas a um sistema de projeção. Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 36 Ao escolher o nível 1G, devem ser informado ainda os parâmetros de reamostragem: Nível 5 - São aplicados cálculos de correção geométrica utilizando-se dados de efemérides e de atitude do satélite; reamostragem por "vizinho mais próximo" e pontos de controle adquiridos a partir de uma base cartográfica oficial. Nível 6 - Os procedimentos são semelhantes ao nível 5, com reamostragem pelo método de convolução cúbica. Atualmente, a não ser que seja solicitada alguma condição especial, a imagem Landsat é gravada sempre cena inteira (“full frame”, aproximadamente 185 x 185 km), com todas as bandas, com nível de correção 1G, na projeção/datum UTM/SAD 69, reamostrada através do método de convolução cúbica (nível 6), em formato GEOTIFF e fornecida em CD-ROM. Não são realizadas quaisquer equalizações de histogramas ou correções para correção do ângulo de elevação solar. O tamanho da imagem TM/Landsat varia conforme o formato solicitado, entretanto, é aproximadamente de 7000 colunas por 6500 linhas. O CD-ROM está estruturado em subdiretórios: • No diretório raiz, estão localizados alguns arquivos gerais, tais como a documentação de formato e um programa de conversão do formato do CD-ROM para um arquivo formato TIFF. • Existem um ou mais diretórios com a identificação WRS (órbita/ponto) da cena. Por exemplo, uma imagem “full frame” do Rio de Janeiro (órbita 217/ponto 76) estará localizada no diretório \217_076. Se a imagem for quadrante, a sigla do quadrante também fará parte do nome do diretório. Por exemplo, o quadrante A da mesma cena do exemplo acima estará localizado no diretório \216_076A. • Em cada diretório WRS, haverá um ou mais subdiretórios com a(s) data(s) de aquisição da cena. A forma geral do subdiretório é \aammdd, onde "aa" são os 2 últimos dígitos do ano, "mm" os dígitos do mês e "dd" os dígitos do dia da data de passagem. Por exemplo, a mesma cena do exemplo acima que tenha sido adquirida em 31 de janeiro de 1994 estará localizada no subdiretório \940131. • Nos subdiretórios das datas encontram-se os arquivos de imagem, um para cada banda requisitada, e alguns arquivos de descrição do produto. Cada arquivo de imagem é nomeado simplesmente BANDAn.DAT (n é o número da banda). Por exemplo, a banda 7 da mesma cena do Rio de Janeiro, quadrante A, adquirida pelo satélite em 31 de janeiro de 1994, deverá ser acessada com o nome: \217_076a\940131\banda7.dat. A imagem em formato GEOTIFF pode apresentar o nome em uma das seguintes formas: imagery_Bn (n é o número da banda) ou L71229069_00020010813_B30, onde no primeiro grifo tem-se a indicação de ser Landsat 7, no segundo grifo tem-se a órbita/ponto, no terceiro grifo, a data e no último grifo, a banda. Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 37 CONCEITOS BÁSICOS DE CARTOGRAFIA Para trabalhar com Sensoriamento Remoto, é fundamental ter ao menos algumas noções básicas de Cartografia, dado que todo o material de trabalho consiste em dados georreferenciados, ou seja, espacialmente indexados. 1 O que é um Sistema de Coordenadas Geográficas e para quê serve? Um objeto geográfico qualquer (uma cidade, a foz de um rio, o pico de uma montanha, entre outros) somente poderá ser localizado se pudermos descrevê- lo em relação a outro objeto, cuja posição seja previamente conhecida. Ou determinar sua localização em uma rede coerente de coordenadas geográficas. Quando se dispõe de um sistema de coordenadas fixas, pode-se definir a localização de qualquer ponto na superfície terrestre. 2 Quais os sistemas de coordenadas geográficas que existem? Existem dois: o sistema de coordenadas geográficas ou terrestres e o sistema de coordenadas planas ou cartesianas, descritos a seguir: Sistema de Coordenadas Geográficas ou Terrestres É o sistema mais antigo de coordenadas. Nele, cada ponto da superfície terrestre é localizado na interseção de um meridiano com um paralelo. Meridianos são eixos imaginários que circundam a Terra perpendicularmente ao equador, sempre passando pelos dois pólos. O meridiano de origem (também conhecido como inicial ou fundamental) é aquele que passa pelo antigo observatório britânico de Greenwich, escolhido convencionalmente como a origem (0°) das longitudes sobre a superfície terrestre e como base para a contagem dos fusos horários. À leste de Greenwich os meridianos são medidos por valores crescentes até +180°. À oeste, suas medidas são decrescentes até o limite mínimo de -180°. Os meridianos determinam a longitude de um ponto na superfície terrestre. Paralelos são eixos imaginários que circundam a Terra perpendicularmente ao eixo dos pólos e paralelamente ao equador. O Equador é o paralelo que divide a Terra em dois hemisférios (Norte e Sul), considerado como o paralelo de origem (0°). Partindo do equador em direção aos pólos temos vários planos paralelos, cujos valores aumentam e tamanhos diminuem, até se tornarem um Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 40 corresponder a cada ponto da Terra, um ponto no mapa. Para se obter essa correspondência, utiliza-se os sistemas de projeções cartográficas. Existem diferentes projeções cartográficas, uma vez que há uma variedade de modos de projetar a superfície terrestre em um plano. Conseqüentemente, torna-se necessário classificá-las quanto às suas características, a fim de melhor escolher qual usar. Classificação das Projeções Os sistemas de projeções cartográficas são classificados pelo tipo de superfície adotada e grau de deformação. Quanto ao tipo de superfície de projeção adotada, classificam-se as projeções em: • Planas ou azimutais • Cilíndricas • Cônicas • UTM • Poliédricas Nelas, a superfície curva da Terra é representada sobre um plano, um cilindro, um cone ou um poliedro tangente ou secante à esfera terrestre, respectivamente. 1- Projeção plana ou azimutal: Constrói-se o mapa imaginando-o situado num plano tangente ou secante a um ponto na superfície da Terra. Exemplo: projeção estereográfica polar 2- Projeção cilíndrica: Obtém-se este mapa imaginando-o desenhado num cilindro tangente ou secante à superfície da Terra, que é depois desenrolado. Pode-se verificar que em todas as projeções cilíndricas, os meridianos bem como os paralelos são representados por retas perpendiculares. 3- Projeção cônica: Obtém-se o mapa imaginando-o desenhado num cone que envolve a esfera terrestre, que é em seguida desenrolado. As projeções cônicas podem ser tangentes ou secantes. Pode-se constatar que em todas as projeções cônicas os meridianos são retas que convergem em um ponto (que representa o vértice do cone) e todos os paralelos são circunferências concêntricas a esse ponto. Exemplo: projeção cônica de Lambert. Exemplo: projeção Mercator Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 41 A seguir, apresenta-se uma comparação entre os três diferentes sistemas de projeção na representação de um quarto de hemisfério: Projeção plana Projeção cônica Projeção cilíndrica 1 2 3 Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 42 A superfície da Terra é uma superfície curva e irregular, porém aproxima-se de um elipsóide (ver adiante). É possível transformar o elipsóide em uma esfera com a mesma superfície, construindo-se um globo terrestre. É impossível, porém, fazer uma cópia plana desta superfície, sem desfigurá-la ou alterá-la. Nesse processo, poucas grandezas podem ser mantidas. Por isso, deve-se escolher entre uma possível conservação dos ângulos, uma proporcionalidade das superfícies ou um outro método que reduza os efeitos da deformação, levando em conta o que se pretende analisar no mapa. Conceitua-se então grau de deformação. Quanto ao grau de deformação das superfícies representadas, classificam-se as projeções em: • Conformes ou isogonais: mantêm fidelidade aos ângulos observados na superfície representada. Porém ao se manter a precisão dos ângulos, distorce-se a forma dos objetos no mapa. Exemplo: Mercator • Equivalentes ou isométricas: conservam as relações de superfície (não há deformação de área). Exemplos: Cônica de Albers, Azimutal de Lambert • Equidistante: conservam a proporção entre as distâncias, em determinadas direções, na superfície representada. Exemplo: Cilíndrica Equidistante A escolha da projeção deve basear-se na precisão desejada, no impacto sobre o que se pretende analisar e no tipo de dado disponível. Projeção UTM - "Universal Transverse Mercator" O mapeamento sistemático do Brasil é feito na projeção UTM (1:250.000, 1:100.000, 1:50.000). Relacionam-se, a seguir, suas principais características: • A superfície de projeção é um cilindro transverso e a projeção é conforme; • O meridiano central da região de interesse, o equador e os meridianos situados a 90o do meridiano central são representados por retas; • Os outros meridianos e os paralelos são curvas complexas; • O meridiano central é representado em verdadeira grandeza; • A escala aumenta com a distância em relação ao meridiano central. A 90o deste, a escala torna-se infinita; • A Terra é dividida em 60 fusos de 6o de longitude. O cilindro transverso adotado como superfície de projeção assume 60 posições diferentes, já que seu eixo mantém-se sempre perpendicular ao meridiano central de cada fuso; • Aplica-se ao meridiano central de cada fuso um fator de redução de escala igual a 0,9996, para minimizar as variações de escala dentro do fuso. Como conseqüência, existem duas linhas aproximadamente retas, uma a leste e outra a oeste, distantes cerca de 1o 37' do meridiano central, representadas em verdadeira grandeza; • Apesar da característica "universal" de projeção, enfatiza-se que o elipsóide de referência varia em função da região da superfície terrestre. Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 45 Estes parâmetros consistem no datum. Para a definição do datum escolhe-se um ponto mais ou menos central em relação à área de abrangência do datum. Existem dois tipos: • O que melhor se adapta à forma do geóide na totalidade - datum global • O que melhor se adapta à forma do geóide numa região - datum local O datum tem menor distorção quanto mais perto do ponto de tangência com o elipsóide forem realizadas as medições. Neste ponto de tangência, a distorção é nula. Os data podem ser: • Topocêntricos - a origem situa-se num ponto da superfície terrestre. Usa um sistema astronômico local no ponto de origem e um sistema fixo ao elipsóide. • Geocêntricos - a origem está próxima do centro de massa da terra. Usa um vetor de translação e três ângulos de rotação. O elipsóide de Hayford utilizava o Datum Córrego Alegre (MG). Atualmente, o elipsóide de Referência (da UAI - 1967) utiliza o Datum SAD-69. • Córrego Alegre - MG Latitude: 19o 45' 41,34" S Longitude: 48o 06' 07,08" W • SAD 69 Latitude: 19o 45' 41,6527" S Longitude: 48o 06' 04,0639" W Azimute de Uberaba: 271o 30' 04,05" Para caracterizar um datum utiliza-se uma superfície de referência e uma superfície de nível. Uma superfície de referência (datum horizontal) consiste em cinco valores: a latitude e longitude de um ponto inicial, o azimute de uma linha que parte deste ponto e duas constantes necessárias para definir o elipsóide de referência. Assim, forma-se a base para o cálculo dos levantamentos de controle horizontal no qual considera-se a curvatura da Terra. A superfície de nível (datum vertical) refere-se às altitudes. O mapa utilizado deve indicar estas informações. 6 O que é Paralelo Padrão ou Latitude Reduzida? É aquela latitude onde as deformações são nulas, isto é, a escala é verdadeira. A partir desse paralelo, as deformações vão aumentando progressivamente sobre os paralelos e sobre os meridianos, com valores desiguais. Utiliza-se o paralelo padrão como linha de controle no cálculo de uma projeção cartográfica. Definindo-se o paralelo padrão por um cone tangente à Terra, Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 46 este será único, como na projeção Mercator. Se o cone for secante à Terra, serão dois paralelos padrão, como na projeção cônica de Albers. O mapa que o usuário for utilizar deverá conter esta informação. 7 O que é Longitude e Latitude de Origem? Representa-se a longitude de origem por uma linha reta, que constitui o eixo de simetria, no sentido vertical. A definição de longitude de origem depende da projeção utilizada pelo usuário. A longitude de origem para a projeção UTM corresponde ao meridiano central de um fuso (a cada 6o define-se um fuso), ou seja, o meridiano central de uma carta ao milionésimo. A figura a seguir apresenta a distribuição das cartas 1:1.000.000 para o Brasil. Para saber a longitude de origem, o usuário deve localizar a área de interesse na figura e verificar a que fuso ela pertence. O meridiano central corresponderá à longitude de origem. Leme, por exemplo, situada a 22o S e 47o W, encontra-se no fuso de 42o a 48o, logo, sua longitude de origem é 45o W. Para a projeção Gauss, a longitude de origem para o Brasil equivale aos limites das cartas ao milionésimo. Para verificar estes valores sugere-se o uso da figura apresentada anteriormente. A latitude de origem refere-se ao paralelo padrão mais próximo à região de interesse. Dependendo da projeção utilizada pelo usuário, define-se ou não latitude de origem. O mapa conterá este valor. A projeção policônica, por exemplo, apresenta mais de dois paralelos padrão. Define-se entre estes o mais próximo da região de interesse, que será a latitude de origem. 8 O que é escala? É a relação que se estabelece entre as dimensões de um elemento representado em um mapa e suas dimensões reais, sobre a superfície da Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 47 Terra. A escala é uma informação obrigatória para qualquer mapa e geralmente é representada por uma escala numérica. As escalas numéricas ou fracionárias constituem frações, cujos denominadores representam as dimensões reais e os numeradores, as que lhes correspondem no mapa. Indica-se da seguinte forma: 1:50.000 ou 1/50.000. A escala de 1:50.000, por exemplo, indica que uma unidade de medida no mapa equivale a 50.000 unidades da mesma medida sobre o terreno. Assim, 1 cm, no mapa, corresponde a 50.000 cm (ou 500 m) no terreno. Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 50 9 Quais tipos de dados são tratados? Dados de diversas fontes e formatos, com relações espaciais entre si (topologia). Os dados espaciais podem ser genericamente separados em mapas temáticos, mapas cadastrais (mapas de objetos), redes, imagens e modelos numéricos de terreno. 10 O que são mapas temáticos? Contêm regiões geográficas definidas por um ou mais polígonos, como mapas de uso do solo e a aptidão agrícola de uma região. Armazena na forma de arcos (limites entre regiões), incluindo os nós (pontos de interseções entre arcos) para montar uma representação topológica. Pode ser armazenado no formato matricial ("raster") ou vetorial. Para a conversão do formato vetorial para o matricial, a área correspondente ao mapa é dividida em células de tamanho fixo. Cada célula terá um valor correspondente ao tema mais freqüente naquela localização. 11 Representação vetorial e matricial de um mapa temático Comparação entre formatos para mapas temáticos: Aspecto Formato Vetorial Formato Matricial Relações espaciais entre objetos Relacionamentos topológicos entre objetos disponíveis Relacionamentos espaciais devem ser inferidos Ligação com banco de dados Facilita associar atributos a elementos gráficos Associa atributos apenas a classes do mapa Análise, Simulação e Modelagem Representação indireta de Fenômenos contínuos Álgebra de mapas é limitada Representa melhor fenômenos com variação contínua no espaço, Simulação e modelagem mais fáceis Escalas de trabalho Adequado tanto a grandes quanto a pequenas escalas Mais adequado para pequenas escalas (1:25,000 e menores) Algoritmos Problemas com erros geométricos Processamento mais rápido e eficiente Armazenamento Por coordenadas (mais eficiente) Por matrizes 12 O que são mapas cadastrais ou mapas de objetos? Ao contrário de um mapa temático, cada elemento é um objeto geográfico que possui atributos e pode estar associado a várias representações gráficas. Por exemplo, os lotes de uma cidade são elementos do espaço geográfico que Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 51 possuem atributos (dono, localização, valor venal, IPTU devido, etc,) e que podem ter representações gráficas diferentes em mapas de escalas distintas. A parte gráfica dos mapas cadastrais é armazenada em forma de coordenadas vetoriais, com a topologia associada. Não é usual representar estes dados na forma matricial. Exemplo de mapa cadastral (países da América do Sul). 13 O que são redes? Redes são compostas por informações associadas a serviços de utilidade pública, como água, luz e telefone, redes de drenagem (bacias hidrográficas) ou malha viária. Cada objeto geográfico (por exemplo, um cabo telefônico ou um cano de água) possui uma localização geográfica exata e está associado a atributos descritivos, presentes no banco de dados. As informações gráficas de redes são armazenadas em coordenadas vetoriais, com topologia arco-nó: os arcos têm um sentido de fluxo e os nós têm atributos (podem ser fontes ou sorvedouros). A topologia de redes constitui um grafo, armazenando informações sobre recursos que fluem entre localizações geográficas distintas. Elementos de Rede Cada aplicação de rede tem características próprias e com alta dependência cultural. A ligação com banco de dados é fundamental. Como os dados espaciais têm formatos relativamente simples, a maior parte do trabalho consiste em realizar consultas ao banco de dados e apresentar os resultados de forma adequada. O pacote mínimo disponível nos sistemas comerciais consiste de cálculo de caminho ótimo e crítico. Este pacote básico é insuficiente para a realização da maioria das aplicações porque cada usuário tem necessidades distintas. No caso de um sistema telefônico, uma questão pode ser: "Quais são os telefones servidos por uma dada caixa terminal?". Já para uma rede de água, pode-se perguntar: "Se injetarmos uma dada percentagem de cloro na caixa d'água de um bairro, qual a concentração final nas casas?" Um sistema de modelagem de redes só terá utilidade para o cliente depois de devidamente adaptado para as suas necessidades, o que pode levar vários anos. Isto impõe uma característica básica para esta aplicação: os sistemas devem ser versáteis e maleáveis. Perguntas & Respostas sobre Sensoriamento Remoto, Cartografia e Geoprocessamento, 2003 Disciplina de Fotointerpretação Departamento de Ciências Agrárias / Universidade de Taubaté 52 14 O que são imagens? São representações espaciais da radiação eletromagnética refletida ou emitida pela superfície terrestre, ponto a ponto, obtidas por meio de satélites, fotografias aéreas ou "scanners" aerotransportados. As imagens são armazenadas como matrizes, onde cada ponto da imagem (denominado "pixel") tem um valor proporcional à radiância da superfície na área imageada. Para individualizar os objetos geográficos contidos na imagem é necessário recorrer às técnicas de fotointerpretação e/ou de classificação digital. As principais características das imagens de satélite foram expostas na Pergunta 9 do Item “Sensoriamento Remoto”. 15 O que são modelos numéricos de terreno? Um Modelo Numérico de Terreno (MNT) significa a representação de uma grandeza que varia continuamente no espaço. Geralmente são associados à altimetria, entretanto podem ser utilizados para modelar outros fenômenos de variação contínua, como teor de minerais no solo, batimetria, entre outros. Um MNT pode ser representado de duas formas: • Grades regulares: matriz de elementos com espaçamento fixo, onde é associado o valor estimado da grandeza na posição geográfica de cada ponto da grade. • Malhas triangulares: a grade é formada pela conexão dos pontos amostrais do fenômeno, distribuídos aleatoriamente, utilizando a triangulação de Delaunay (sujeita a restrições). Comparação entre grades retangulares e triangulares: Grade triangular Grade regular Vantagens Melhor representação de relevo complexo Incorporação de restrições como linhas de crista Facilita manuseio e conversão Adequada para geofísica e visualização 3D Problemas Complexidade de manuseio Inadequada para visualização 3D Representação relevo complexo Cálculo de declividade 16 Quais as aplicações de Geoprocessamento? • Relatórios de Impacto Ambiental (EIA/RIMA) • Monitoramento do desmatamento de grandes ecossistemas (Amazônia, Mata Atlântica) • Manejo florestal • Planejamento e acompanhamento agrícola • Construção de rodovias, ferrovias, hidroelétricas, etc. • Planejamento urbano • Suporte à extração mineral • Manejo pesqueiro