Doutorado em Ciências Ambientais (CIAMB / UFG)
Sensoriamento Remoto Aplicado à
Ciência Ambiental
Princípios Físicos
Dr. Laerte Guimarães Ferreira
http://www.ufg.br/lapig
Sensoriamento Remoto
Radiaçao Incidente
Radiaçao Refletida
Radiaçao Emitida
Sensoriamento Remoto:
Desenvolvimento dos Sistemas Sensores
Sensoriamento Remoto:
Perfil dos Usuários
Usuários Tradicionais
Novos Usuários
Planejamento civil (mapeamento, zoneamento, etc), forças
armadas, serviços de inteligência, centros de pesquisa,
"governos"
Media eletrônica e impressa
Organizações multinacionais (ex. ONU)
ONG´s (política ambiental, conflitos regionais, etc)
Negócios (extração e gerenciamento de recursos naturais)
Academia & Organizações de Pesquisa (ex. estudos em
transporte, arqueologia, etc)
Academia & Organizações de Pesquisa (depart. de
Geologia e Geografia, programas de sens. Remoto,
estudos ambientais)
Remote Sensing Business (empresas aerofotogramétricas, fornecedores de imagens, empresas
de geoprocessamento)
Negócios (ex. empresas de seguros, telecomunicações,
agricultura de precisão, etc)
"Clientes" (Imobiliárias, "indivíduos")
Sensoriamento Remoto: Aplicações
Sensoriamento Remoto: Aplicações
Sensoriamento Remoto: Aplicações
Espectro Eletromagnético - REM
Espectro Eletromagnético - REM
Comportamento Espectral de Alvos
Radiação Eletromagnética
“Janelas Atmosféricas”
Radiação Eletromagnética
“Janelas Atmosféricas”
Interações Energia - Alvo
Espectro Eletromagnético - REM
Nome
Intervalo
Espectral
Fonte de
Radiação
Propriedade
Medida
Fenômeno
Visível
0,4 - 0,7
Sol
Reflectância
Absorções
Infravermelho próximo
0,7 - 1,1
Sol
Reflectância
Absorções /
Vibrações
Infravermelho de ondas curtas
1,1 - 1,35
1,4 - 1,8
2,0 - 2,5
Sol
Reflectância
Vibrações
3,0 - 4,0
Sol
Reflectância
Vibrações
4,5 - 5,0
Corpos terrestres de
altas temperaturas
(incêndio)
Temperatura
Emissão
Infravermelho termal
8,0 - 9,5
10 - 14
Terra
Temperatura
Emissão
Terra (passivo)
"Backscatter"
Rotação
Microondas (radar)
1mm - 1m
Artificial (ativo)
"Backscatter"
Rotação
Infravermelho médio
Radiação Eletro-Magnética: Propriedades
Teoria Eletro-Magnética da Luz
Radiação Eletro-Magnética: Propriedades
C = f  f = C/
Q = hf  Q = hC/ (joules)
Período (T): tempo entre 2 cristas
Frequência: 1/T = # cristas / seg. (f = 1/T)
Radiação Eletro-Magnética:
Unidades de Medidas
Radiação Eletro-Magnética: Leis
fundamentais
M n, 
2hc2

  hc 
5 exp
 1

KT



M n  T 4
M     T 4
 max 
2898 mK
T
Radiação Eletro-Magnética:
Relações Radiométricas
c  
Albedo   hemisferico 
Q  h
c
Q  h( )

M   L
L
  
E
M
E
Etotal  Edifuso  Edireto
Esup erficie  E0 cos z
Radiação Eletro-Magnética:
Interações com a Superfície
i   r   a  tr
i
  
 r  a  tr
i
i i i
1    
1        
Radiação Eletro-Magnética:
Medidas Radiométricas
p
Lp 
E pt


Lt  t Et

Et  Ep
Lp
p
t 

Lt
t
 Lt 
t
Lp
p
Lt
V
 p  t  t  p
Lp
Vp
Comportamento Espectral de Alvos
Reflectância
Solo
Veg.
SWIR
0.6
NIR
Vermelho
0.8
0.4
0.2
0.0
400
800
1200
1600
2000
Comprimento de Onda (nm)
2400
Bi-Directional Reflectance Distribution Function
(BRDF)
BRDF Especular
Superfície rugosa (água)
“sunglint”
Espalhamento volumétrico
Reflectância de folha - veg
Vazios - sombras
Bi-Directional Reflectance Distribution Function
(BRDF)
Bi-Directional Reflectance Distribution Function
(BRDF)
Bi-Directional Reflectance Distribution Function
(BRDF)
Considerações Angulares…
ï
Ângulo de visada do
sensor varia +/- 55o
ï Ângulo zenital solar
pode variar até 20o ao
longo da imagem
ï Ângulo zenital solar
varia com a latitude e dia
do ano
Considerações Angulares…
along
descending orbit track
cross
track
MODIS-AM
0°
15 °
250 m
270 m
250 m
260 m
30 °
350 m
285 m
45 ° (scan angle)
610 m
380 m
Sensoriamento Remoto: “Problemas...”
Nuvens
Aerosol, gases, moléculas
Atmosfera
 aparente  
Dossel
Substrato
Lsensor
Eexo cos z
Ozone, Aerossóls
Estratosféricos
20 km
8 km
O2, CO2,
Gases
Traços
Moléculas (Espalhamento Rayleigh)
2-3 km
H2O, Aerossóls
Troposféricos
Superfície
Poeira do Sahara sobre as Ilhas Canárias
SeaWiFS (Março, 1998)
Plumas de Fumaça no Mexico
SeaWiFS (Junho, 1998)
Efeitos Atmosféricos
A distribuição da energia solar na superfície terrestre
é influenciada por:
• espalhamento atmosférico por moléculas e
particulados,
• absorção gasosa (7 gases na região de 0.4 a 2.5 µm)
–
–
–
–
–
–
Vapor d’água (H2O),
Dióxido de carbono (CO2),
Ozônio (O3),
Óxido nitroso (N2O),
Monóxido de carbono (CO),
Metano (CH4), e
– Oxigênio (O2)
Absorção por Vapor D´água
• Fortes bandas de absorção em 1.45 e 1.95 µm completamente atenuam
a energia solar e faz com estes comprimentos de ondas não tenham
utilidade para estudos da superfície terrestre a partir do espaço.
• Absorções por vapor d´água também causam um impacto significativo
no infra-vermelho próximo.
– O sensor AVHRR é o mais severamente afetado por vapor d´água devido à
uma banda no intervalo de 0.725 a 1.1 µm.
– Os sensores Landsat TM e o SPOT-HRV, os quais possuem bandas em
0.76 - 0.90 µm e 0.79 - 0.89 µm, respectivamente, minimizam
substancialmente os problemas relacionados às absorções secundárias
próximas à 0.7 e 0.9 µm.
• O sensor MODIS consegue evitar completamente os problemas com
vapor d´água em função da banda NIR estar posicionada na região de
0.841 a 0.876 µm (evitando até mesmo pequenas feições de absorção
em 0.835 µm).
Espalhamento Atmosférico
• Espalhamento molecular (Rayleigh) é fortemente dependente do
comprimento de onda:
– Mais forte quanto menor o comprimento de onda,
– Responsável pela radiância difusa da atmosfera.
– Quanto mais névoa (atmosfera turbida), mais forte será o
componente difuso (sky illumination component).
• O espalhamento na atmosfera cria um 'path radiance' que aumenta o
sinal que chega até o sensor.
• O espalhamento é função do tamanho das partículas em relação ao
comprimento de onda:
q
•
2r

Onde r é o raio dos elementos espalhantes.
Tipos de Espalhamento
– Se q<1, espalhamento Rayleigh.
– Se 1 < q < 2, há uma transição do espalhamento Rayleigh para o Mie.
– Quanto maior o comprimento de onda, menor será o efeito do espalhamento
atmosférico.
•
•
•
Espalhamento Rayleigh envolve moléculas com diâmetros muito menores
que a radiação incidente. Variações são causadas principalmente por flutuações
de densidade na atmosfera (moléculas). (Predomínio do azul no céu limpo e do
laranja e vermelho ao entardecer).
Espalhamento Mie envolve partículas com diâmetros próximos aos
comprimentos de onda da radiação solar incidente (pequenas gotas de água e
poeira). Tipo de espalhamento encontrado quando o céu está ligeiramente
nublado. Influencia comprimentos de onda mais longos.
Espalhamento não-seletivo envolve partículas com diâmetros algumas vezes
maiores que os comprimentos de onda da radiação incidente (grandes gotas de
água, nuvens e neblina). Tal espalhamento faz com que comprimentos de onda
do visível e infra-vermelho sejam espalhados com a mesma eficiência,
resultando assim na cor “esbranquiçada” do céu.
Atenuação
• Atenuação se refere tanto aos processos de absorção quanto
espalhamento da atmosfera. O efeito é uma redução geral
nas propriedades transmissivas da atmosfera.
Transmissão 
Esup erfície
Eexo
T  
Esup erfície
Eexo
Esup erfície   Eexo * cos z 
• Coeficiente de extinção (ext) : relaciona-se com a
transmitânicia () através:
T    exp( ext )
• Assim, uma unidade de optical thickness corresponde à uma
transmitância de ~0.37.
Transmitância  E0 exp( ext * m)
Transmitância  E0 exp(m * AOT)
Efeitos Combinados da Atmosfera…
• O efeito da atmosfera na resposta Visível e NIR
para alvos da superfície depende da influência
(contribuição) relativa da atenuação e "path
radiance".
• Para cada comprimento de onda há uma
"reflectância crítica" que parece não ser
influenciada pela atmosfera…
• A atmosfera tende a tornar superfícies escuras
mais brilhantes e superfícies claras mais escuras.
• A atmosfera simultaneamente reduz o sinal refletido pela
superfície através de uma função de atenuação dependente
do comprimento de onda (atenuação), e adiciona um “sinal
atmosférico”, conhecido como 'upward path' (sky)
radiance.
• Dependendo do comprimento de onda e do brilho da
superfície, bem como da turbidez atmosférica, o sinal que
chega até o sensor pode ser menor, maior ou sem alteração
em relação ao sinal da superfície.
• Para uma superfície escura, a atenuação atmosférica será
mínima, mas a contribuição do “path radiance” pode
exceder em muito o sinal da superfície (principalmente
para comprimentos de onda menores).
Correções para Gases e Moléculas
• O efeito do espalhamento molecular sobre o “upward path radiance”
pode ser corrigido bastante facilmente, haja vista que as concentrações
moleculares variam com a altitude.
• Absorções gasosas também podem ser corrigidas com relativa
facilidade (água e ozônio), principalmente se o sensor não tiver bandas
coincidentes com as principais zonas de absorção.
Correção para Aerossóis
• A correção para os efeitos de aerossóis é bastante complexa devido à
alta variabilidade na reflectância da superfície e a dificuldade em se
distinguir entre a reflexão da radiação solar pela superfície e o retroespalhamento causado pela camada de aerosol.
• Correção para aerossol necessita: (1) aerosol optical thickness, (2)
phase function, e (3) single scattering albedo.
• Métodos de correção são normalmente baseados na obtenção de um
parâmetro a partir de dados orbitais (optical thickness ou path
radiance) e computação de outros parâmetros com base em modelos
empíricos.
Nuvens
• Objetivo: mascarar a contaminação de nuvens na determinação de
•
•
•
•
propriedades da superfície.
No caso de nuvens de grandes dimensões, a distinção entre cenas
“limpas” e contaminadas por nuvens é bastante simples.
No caso de nuvens finas (ex. cirrus) e subpixel nuvens, a distinção é
difícil.
Dois limiares usados para separar nuvens de cenas limpas: brilho e
emitância em ondas longas (ou combinação de ambos). Há também a
comparação com dados das semanas anteriores (“mais escuros” e
“quentes).
A acuidade e sensibilidade dos algorítimos para detecção de nuvens
são dependentes da resolução espacial do sensor.
False Color
Blue
Red
NIR
MIR1
(NIR, R, G) (0.469 m) (0.645 m) (0.858 m) (1.64 m)
MIR2
(2.13 m)
Correção Total (Rayleigh + Aerossols)
0.35
0.30
Reflectance
0.25
0.20
0.15
0.10
TOA
Rayleigh/O3
0.05
0.00
-0.05
300
0.275
0.520
0.706
400
500
600
700
Wavelength (nm)
800
900
Espectro Vegetação Densa (Rayleigh/O3)
0.4
Tropical Forest
Reflectance
0.3
Aumento
Na fumaça
a(.67)=0.14
NIR
a(.67)=1.10
a(.67)=1.91
Red
Over Plume
0.2
MIR
0.1
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
Wavelength (m)
2.0
2.4