Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE
Avaliação da Qualidade Geométrica das Imagens RapidEye Ortorretificadas
Antonio José Ferreira Machado e Silva1
Beatriz Fernandes Simplicio Eduardo1
Antonio Juliano Fazan1
1
AMS Kepler Engenharia de Sistemas
Av. Armando Lombardi, 800 - sala 206 - 22640-906 - Rio de janeiro - RJ, Brasil
{antonio, beatrizsimplicio, ajfazan}@amskepler.com
Abstract. RapidEye imagery has quickly increased in importance for Brazilian users of remote sensing data,
mainly due to its high temporal availability as well as special features related to spatial, spectral and radiometric
resolutions. RapidEye imagery can be purchased in two processing levels: the first includes only radiometric
correction and band-to-band registration; the second is an orthorectified product, which includes all previous
corrections of the basic product. Recently, Brazilian government has purchased a complete territorial coverage
under a special license that allows those images to be used for all federal government agencies, as well as
environmental state agencies. This paper presents a case study on geometric evaluation of 3A RapidEye images.
The main goal is to estimate their accuracy for localization purposes and measurements of distances, angles, and
areas. The performed evaluation is divided, according to its nature, into relative and absolute. Relative
evaluation is based on comparison of positions measured directly onto a set of multi-temporal 3A images, from
which a set of parameters related to their relative accuracy and state of satellite constellation is estimated, while
absolute evolution derived another set of parameters from the comparison of those positions with a set of control
points measured over the terrain and used as ground truth. The obtained results in both relative and absolute
evaluations showed a great temporal stability of the entire RapidEye constellation, as well as the high geometric
quality of RapidEye images. Some evaluation parameters indicate their usability for mapping projects at scales
greater or equal to 1:50.000.
Palavras-chave: multitemporal analysis, mapping, orthorectified imagery, remote sensing,
multitemporal, mapeamento, imagens ortorretificadas, sensoriamento remoto.
análise
1. Introdução
As imagens dos satélites RapidEye assumiram uma importância muito grande para a
comunidade brasileira de Sensoriamento Remoto. A alta disponibilidade de dados associada
às características geométrica, radiométrica e espectral das imagens fizeram com que a
demanda por imagens RapidEye crescesse de forma muito rápida no Brasil.
A descontinuidade do programa Landsat também contribuiu para isto, mas é fato que
somente uma constelação como a da RapidEye consegue garantir coberturas de grandes áreas
em curtos espaços de tempo. Em configuração nadir, é possível cobrir extensas áreas, como o
território brasileiro por exemplo, a cada seis dias. Para áreas menores, pelo menos um dos
satélites RapidEye pode fazer uma revisita diária, com ângulo de inclinação (off-nadir)
inferior a vinte graus. A excelente capacidade de revisita aponta esta constelação como
referência para os estudos de detecção de mudanças, como o realizado por de Nielsen, et al.
(2010).
A resolução espacial de 6,5m (média-alta) é única no segmento de sensores
multiespectrais, e a resolução radiométrica de 12 bits (4.096 níveis de cinza) é a maior entre
todos os satélites de sensoriamento remoto. As características da constelação RapidEye estão
expostas na Tabela 1.
1213
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Tabela 1. Especificações técnicas da constelação RapidEye.
Características da missão
Informação
Número de satélites:
5
Altitude orbital:
630 km (sol-síncrona)
Hora de cruzamento com o Equador:
11:00 ± 0:15
Tipo do sensor:
Imageador push broom (varredura eletrônica)
multiespectral
Bandas espectrais:
Azul: 440 – 510 nm;
Verde: 520 – 590 nm;
Vermelho: 630 – 685 nm;
Red Edge: 690 – 730 nm;
NIR: 760 – 850 nm
Resolução espacial (nadir):
6,5 m
Tamanho do pixel (ortorretificado):
5m
Resolução radiométrica:
12 bits (4.096 níveis de cinza)
Largura da faixa imageada:
77 km
Capacidade do gravador de bordo:
120.000km2
Revisita:
5,5 dias (nadir) e diária (off-nadir)
Capacidade de imageamento:
+4.000.000 km2/dia
Recentemente, o Governo Brasileiro adquiriu um recobrimento completo de todo o
território nacional. As imagens deste recobrimento apresentam uma licença especial que
permite que todos os órgãos federais, além dos órgãos estaduais de meio-ambiente, possam
usá-las livremente e em diversas aplicações como fusão (Silva et al. (2011)), classificação de
áreas agrícolas (Souza et al. (2011)), predição de biodiversidade (Jardim et al. (2011) , entre
outras.
As imagens RapidEye podem ser adquiridas em dois níveis de processamento: 1B (N1B)
e 3A (N3A). O nível 1B é o mais básico, com a imagem apresentando apenas correção
radiométrica e registro entre bandas espectrais. Não há correção geométrica. A imagem está
orientada pela órbita, com os pixels apresentando o tamanho original (6,5x6,5m2). As imagens
apresentam largura de 77km e comprimento variável.
O nível 3A é o produto mais comumente adquirido, pois já vem ortorretificado. As
imagens apresentam pixels de 5x5m2, sem que isto signifique uma melhora na resolução
espacial. As imagens N3A são orientadas para o norte e são formatadas em tiles de 25x25km2
(625km2), conforme descrito por RapidEye AG (2012). Todo tile apresenta superposição de 1
km com os tiles vizinhos. O processo de correção geométrica do nível 3A faz uso dos dados
de efemérides e atitude do satélite, do modelo de visada da câmera, além de pontos de
controle e modelo de elevação do terreno. As bandas espectrais são registradas. As imagens
nível 3A apresentam cinco bandas com 5000x5000pix2, com 2 bytes (16 bits) por pixel,
totalizando 50MB por banda e 250MB por imagem.
O objeto de estudo deste trabalho é a imagem RapidEye Nível 3A. O objetivo é avaliar a
qualidade da imagem frente ao uso dela para localização, medição de distâncias, áreas e
ângulos.
2. Metodologia de Trabalho
2.1 Caracterização da área de estudo
O caso de estudo engloba catorze tiles (1) sobre a região de influência do CONLESTE
(Consórcio Intermunicipal de Desenvolvimento do Leste Fluminense), recobrindo os
1214
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municípios de: Teresólopis, Magé, Guapimirim, Cachoeiras de Macacu, Silva Jardim,
Casimiro de Abreu, Araruama, Rio Bonito, Tanguá, Maricá, Itaboraí, São Gonçalo e Niterói.
A instituição CONLESTE é responsável pelas negociações e decisões sobre as ações a serem
implementadas no âmbito do Complexo Petroquímico do Rio de Janeiro - COMPERJ.
Sobre esta região foi adquirida uma série temporal com cinco coberturas RapidEye:
primeiro e segundo semestres de 2009, segundo semestre de 2010 e primeiro e segundo
semestres de 2011.
Figura 1. Tiles e imagens RapidEye correspondentes à região de influência do CONLESTE.
2.2 Análises da Qualidade Geométrica
Para o estudo da qualidade geométrica adquiriu-se, com os responsáveis pela aquisição
das imagens, informações sobre treze pontos de controle (pontos absolutos) com coordenadas
de terreno. Em paralelo, levantou-se um conjunto de setenta pontos de controle relativo (tie
points), distribuindo cinco pontos por tile.
Conforme apresentado na Figura 1, a região de interesse do CONLESTE não representa a
totalidade da área dos tiles. Em algumas coberturas da série temporal os tiles vieram
completos, mas em outras não, fazendo com que a frequência dos pontos de controle variasse
de tile para tile.
Inicialmente, o trabalho faz uma análise do comportamento da geometria das imagens
RapidEye em diferentes datas, usando os dados obtidos para os 70 pontos de controle
relativos, conforme exibido na Figura 2.
Figura 2. Distribuição dos pontos de controle relativos.
Para esta análise inicial, foram estudados três parâmetros relativos à dispersão das
medição dos pontos de controle ao longo das cinco coberturas temporais. A primeira métrica
é o desvio padrão () das medições, o segundo o desvio máximo (D) entre uma medição e a
média das medições, e o terceiro a amplitude das medições (A), que é a máxima distância
1215
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entre duas medições diferentes. Estes parâmetros medem a coerência das medições, mas não
trazem nenhuma informação em relação à verdade terrestre. Como as medições foram
tomadas sobre imagens de diferentes satélites, abrangendo imagens ao longo de dois anos e
meio, é possível dizer que bons resultados nesta fase são excelentes indicadores para a
qualidade geométrica das imagens RapidEye, incluindo a localização geográfica precisa.
O desvio máximo (D) representa o raio do círculo mínimo centrado na média das
medições que contém todas as medições, enquanto a amplitude representa o diâmetro do
círculo mínimo que contém as medições (Figura 3). A amplitude é menor ou igual ao dobro
do desvio máximo (A ≤ 2D).
Figura 3. Amplitude (A) e desvio máximo (D) das medições de um ponto de controle relativo.
Em seguida, a análise da qualidade geométrica das imagens RapidEye foi realizada
usando os pontos de controle de terreno ou absolutos. Esta análise foi realizada considerando
13 pontos de controle citados anteriormente. A Figura 4 ilustra a distribuição destes pontos na
área de estudo.
Figura 4. Distribuição dos pontos de controle absolutos ou de terreno.
Para cada ponto de controle (i) foram determinados os erros de todas as observações (j)
em relação às coordenadas medições no terreno (Equação 1):
Em seguida, para cada ponto de controle, foram calculados os erros mínimo (min{Eij}) e
máximo (max{Eij}), as médias (Xi, Yi e Ri), desvio padrão (i) e a raiz quadrada do erro
médio quadrático (RMSEi).
3.0 Resultados e Discussão
A Tabela 2 apresenta um resumo dos resultados para as 340 observações no conjunto de
14 tiles e cinco coberturas, referentes aos pontos de controle relativos.
1216
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Tabela 2. Avaliação da dispersão das observações dos pontos de controle relativos.
Desvio padrão
Máximo Amplitude
#
#
#
Tile ID
Pontos Cenas Observações X (m) Y (m) R (m) R (m)
(m)
2328523
5
5
25
2,982 2,310 3,772
7,244
10,676
2328524
5
5
25
2,720 3,315 4,287
8,031
12,386
2328525
5
5
25
2,890 2,988 4,157
7,541
13,517
2328622
5
5
25
3,073 3,412 4,592
6,708
11,038
2328623
5
5
25
4,680 7,583 8,911 23,739
31,310
2328624
5
5
25
2,377 2,709 3,604
8,158
11,804
2328625
5
5
25
3,199 3,488 4,733
9,508
16,581
2328626
5
5
25
6,175 4,493 7,637 18,663
30,047
2328627
5
4
20
2,519 3,524 4,332
8,840
15,540
2328723
5
5
25
2,354 3,311 4,062
8,575
11,441
2328724
5
5
25
2,963 2,587 3,933
6,261
11,050
2328725
5
5
25
4,082 1,648 4,402
8,497
15,553
2328726
5
5
25
8,935 7,006 11,355 16,727
29,108
2328727
5
4
20
3,891 2,391 4,567
7,003
11,978
GERAL
70
68
340
4,095 3,859 5,627 23,739
31,310
Lembrando que a resolução espacial das imagens RapidEye é de 6,5m, o desvio padrão
() encontrado, num conjunto que inclui imagens dos cinco satélites, em datas tão díspares
quanto às deste estudo, pode ser considerado excelente. O valor de 5,627m para o conjunto
dos 70 pontos de controle fica abaixo de 1 pixel (0,87pix). É importante destacar ainda que
este valor inclui as incertezas na identificação dos pontos nas imagens, que depende da
experiência do técnico encarregado da tarefa.
Em 11 tiles, o desvio padrão () das medições dos pontos de controle ficou abaixo de um
pixel, mesmo considerando o pixel de 5m das imagens ortorretificadas (nível 3A). Em apenas
3 (tiles 2328623, 2328626 e 2328726) este limite foi superado.
Considerando os pontos individualmente (70 observações), em noventa por cento dos
casos o desvio padrão () ficou abaixo de 8,795m (1,35pix). 6 pontos (8,57%) apresentaram
desvio padrão () abaixo de 0,5pix, 54 (68,57%) entre 0,5 e 1pix, 10 (14,29%) entre 1 e
1,5pix e apenas 6 (8,57%) acima de 1,5pix.
O desvio máximo (D) para todas as 340 observações alcançou o valor máximo de
23,739m (abaixo de 4 pixels - 3,65pix), mas é um caso fora do padrão encontrado, pois a
amplitude encontrada neste tile (2328623) foi de 31,310m (abaixo de 5 pixels - 4,82pix). Em
11 tiles, o desvio máximo ficou abaixo de 1,5pix. Novamente os tiles 2328623, 2328626 e
2328726 superaram o limite.
Considerando os pontos individualmente (340 observações), em noventa por cento dos
casos os desvios em relação ao valor médio ficaram abaixo de 8,840m (1,36pix). 150
observações (44,12%) apresentaram desvio máximo abaixo de 0,5pix, 126 (37,06%) entre 0,5
e 1pix, 40 (11,76%) entre 1 e 1,5pix e apenas 24 (7,06%) acima de 1,5pix.
A amplitude (A) para todas as 70 observações alcançou o valor máximo de 31,310m
(abaixo de 5 pixels - 4,82pix). Em 7 tiles, o valor da amplitude ficou abaixo de 2pix e em
apenas 3 (2328623, 2328626 e 2328726) acima de 3pix.
Considerando os pontos individualmente (70 observações), em noventa por cento dos
casos a amplitude (A) ficou abaixo de 16,581m (2,55pix). 4 observações (5,71%)
apresentaram amplitude (A) abaixo de 1pix, 24 (34,29%) entre 1 e 1,5pix, 22 (31,43%) entre
1,5 e 2pix, 6 (8,57%) entre 2 e 2,5pix e apenas 7 (10,00%) acima de 2,5pix.
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Observando em conjunto o desvio padrão (), o desvio máximo (D) e a amplitude (A)
tem-se uma noção melhor da coerência das medições realizadas nos diversos pontos de
controle, em diferentes satélites, para datas variadas. Considerando agora o tamanho do pixel
da imagem ortorretificada (5m), tem-se que o desvio padrão () é da ordem de 1pix, enquanto
os desvios das observações em relação aos valores médios ficaram abaixo de 2pix em noventa
por cento dos casos. A amplitude apresentou valores abaixo de 3pix em noventa por cento dos
casos.
A amplitude máxima indica também o tamanho da área de busca de pontos homólogos
para duas ou mais imagens de datas diferentes. Considerando as imagens ortorretificadas com
pixel de 5m, a área de área de busca deve ter um tamanho de 13x13pix2.
Com uso de pontos de controle de terreno ou absolutos, apresenta-se a segunda fase da
análise da qualidade geométrica.
Infelizmente as coordenadas dos pontos de controle apresentam uma precisão da mesma
ordem da resolução espacial do sensor RapidEye. Além disto, alguns tiles apresentam apenas
a área de interesse em algumas coberturas, contra a área total em outras. Desta forma, o
número de observações temporais dos pontos de controle varia de tile para tile. Isto prejudica
a análise, mas os resultados encontrados superam estes inconvenientes.
Para cada ponto de controle, a Tabela 3 apresenta os resultados encontrados para os erros
mínimo (min{Eij}) e máximo (max{Eij}), as médias (Xi, Yi e Ri), o desvio padrão (i) e a raiz
quadrada do erro médio quadrático (RMSEi).
Tabela 3. Análise do comportamento dos pontos de controle de terreno.
Tile
Ponto
#
Mínimo Máximo
Cen
R
R
as
Média
Desvio Padrão
RMSE
X
Y
R
X
Y
R
X
Y
R
2328624
1
5
8,677
13,832
-10,013
-3,870
10,735
2,594
3,856
4,647
10,278
5,184
11,511
2328625
2
5
0,929
5,224
-0,551
-0,186
0,582
3,720
1,436
3,988
3,373
1,298
3,614
2328626
3
5
16,634
33,454
-23,227
-3,187
23,444
6,133
2,629
6,672
23,866
3,960
24,192
2328627
4
2
3,577
8,361
2,224
5,469
5,904
0,233
3,598
3,605
2,230
6,031
6,430
2328627
5
2
2,981
5,553
3,293
1,250
3,523
0,935
3,745
3,860
3,359
2,928
4,456
2328627
6
2
11,007
14,646
10,900
6,373
12,627
0,663
4,043
4,097
10,911
6,985
12,955
2328627
4, 5 e 6
2
2,981
14,646
5,473
4,364
7,000
4,264
3,827
5,729
6,716
5,590
8,738
2328725
7
5
1,166
11,082
-6,103
-0,202
6,106
4,626
1,560
4,882
7,373
1,410
7,507
2328725
8
5
3,379
10,431
-4,740
-3,261
5,753
4,108
1,979
4,560
5,997
3,711
7,052
2328725
7e8
5
1,166
11,082
-5,421
-1,732
5,691
4,186
2,328
4,790
6,720
2,807
7,283
2328726
9
5
14,527
19,993
6,646
-14,332
15,798
8,658
5,708
10,370
10,205
15,214
18,319
2328726
10
5
1,687
16,077
-6,300
-1,940
6,592
7,633
2,777
8,123
9,290
3,152
9,810
2328726
9 e 10
5
1,687
19,993
0,173
-8,136
8,138
10,284
7,782
12,897
9,758
10,986
14,694
2328727
11
4
3,815
9,911
-1,367
-6,241
6,389
4,081
2,245
4,657
3,789
6,537
7,556
2328727
12
4
5,694
13,980
-0,421
9,804
9,813
3,081
3,514
4,673
2,701
10,265
10,615
2328727
13
4
9,717
18,637
14,012
3,876
14,539
4,557
0,785
4,624
14,558
3,936
15,080
2328727
11, 12 e
13
4
3,815
18,637
4,075
2,480
4,770
8,174
7,265
10,936
8,824
7,385
11,506
GERAL
1 a 13
53
0,929
33,454
-2,636
-1,490
3,028
10,445
6,550
12,329
10,677
6,657
12,582
CE90
19,914
Baseado nos 53 desvios medidos
CE90
19,093
Baseado no RMSE
De início, da Tabela 3 conclui-se que as imagens analisadas apresentam qualidade
geométrica compatível com a PEC-A da escala de 1:50.000 (CE90 = 25m). Da mesma tabela,
1218
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observa-se que há dois valores relativos ao CE90, um deles baseado nos desvios medidos e
outros no RMSE dos pontos de controle.
No primeiro caso, ordenou-se de forma crescente os erros (R) relativos às 53 observações.
Noventa por cento delas recai na posição 47,7. Ou seja, o CE90 foi obtido a partir de uma
média ponderada dos erros de números 47 e 48.
No segundo caso, considerou-se que os desvios (X e Y) das observações em relação às
coordenadas de terreno se comportam segundo uma distribuição normal de média zero e
desvio padrão  (N(0,)). Desta forma, o erro (R) apresenta uma distribuição de Rayleigh,
 Numa distribuição de
com desvio padrão  e raiz quadrado do erro médio quadrático de
Rayleigh, noventa por cento ocorre para valores menores ou iguais a 1,517427 vezes o RMSE
(Equação 2).
Os pontos 3 e 9 fogem ao comportamento dos demais. Mas este trabalho optou por não
excluir nenhum ponto, mesmo que apresentasse valores discrepantes.
Para atingir o PEC-A da escala de 1:25.000, o RMSE deveria ser de 8,238m. Este valor
foi alcançado apenas pelos pontos 2, 4, 5, 7, 8 e 11.
A última análise foi realizada sobre observações de pontos de controle em tiles obtidos na
mesma data e pelo mesmo satélite, perfazendo uma única cena. Os maiores conjuntos, com 6
e 9 pontos de controle, estão apresentados na Tabela 4. As observações de mesma data e
mesmo satélite tiram as variações temporais das imprecisões das efemérides e atitude, bem
como erros residuais na modelagem dos sistemas sensores de cada satélite.
Tabela 4. Análise geométrica sobre cenas RapidEye.
SAT
ID
Data
#
Pontos
Pontos
2
2009/
05/25
9
3,4,5,6,9,
10,11,12e
13
1
2011/
01/10
6
2,9,10,
11,12e13
Mín
Máx
Média
R
R
X
Y
2,846
18,064
4,56
0
2,98
8
1,687
19,965
5,38
7
3,4,5,6,9,
0,39
10,11,12e 2,981 22,476
2
13
*1: baseado nos desvios medidos; *2: baseado no RMSE.
5
2011/
09/04
9
1,98
6
0,27
5
Desvio Padrão
R
X
Y
R
RMSE
X
Y
CE90
R
*1
*2
5,45
6,71 11,92 10,34 7,00 12,49 16,42 18,96
9,855
2
7
6
9
2
6
4
1
5,74
7,24 11,24
6,90 11,76 19,16 17,84
8,601
9,522
1
4
5
5
2
8
8
0,47 10,43 6,33 12,20
5,97 11,51 15,32 17,47
9,843
9
1
4
4
8
6
2
4
As comparações entre as Tabelas 3 e 4 mostram que o CE90 não apresenta melhora
significativa quando a análise se restringe ao âmbito de uma cena: da ordem de seis por cento
(baseado no RMSE) a dezesseis por cento (baseado nos desvios medidos).
4. Conclusões
Os resultados apresentados atestam a excelente qualidade geométrica das imagens
RapidEye. Os erros da Tabela 3 e 4 incluem os erros relativos ao levantamento das
coordenadas dos pontos no terreno e de identificação dos pontos nas imagens. O levantamento
das coordenadas dos pontos no terreno não foi realizado diretamente no terreno com GPS de
precisão. Além disto, nenhum ponto de controle foi desconsiderado, mesmo quando
apresentou erros que divergiam do restante do conjunto. Ou seja, não foi feita uma análise
criteriosa sobre estes pontos. Logo, os erros aqui apresentados são limites superiores.
O desvio padrão das medições realizadas sobre os pontos relativos, inferior a um pixel,
comprova o comportamento estável da constelação, pois estas medições foram realizadas em
diferentes datas para diferentes satélites. Destaca-se que o valor encontro neste caso foi
excelente.
1219
Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE
Os valores relativos ao CE90 indicam a possibilidade de uso direto das imagens RapidEye
nem projetos na escala de 1:50.000, desde que estes que necessitem respeitar a PEC-A. A
estabilidade dos satélites aliada ao erro médio residual encontrado nos pontos de controle
indicam que o uso de pontos de controle para refinar a qualidade da imagem podem levá-las a
alcançar a PEC-A na escala de 1:25.000. Mas isto tem que ser melhor investigado.
Ou seja, os trabalhos futuros incluirão a cobertura do primeiro semestre de 2010,
elevando para seis coberturas. Os tiles parciais serão substituídos por tiles completos. Para
cada tile, serão levantados de 3 (1 para refinar a imagem e 2 para avaliar a qualidade
geométrica) a 5 (2 para refinar e 3 para avaliar) pontos de controle com precisão submétrica.
A identificação dos pontos na imagem será feita em modo subpixel.
Desta forma, será refeita a análise sobre as imagens RapidEye nível 3A, conforme os
usuários têm acesso, e será feita uma análise complementar sobre as imagens refinadas por
pontos de controle.
Caso não se atinja a PEC-A associada à escala de 1:25.000, será testado também o uso de
modelos de elevação do terreno mais precisos do que os normalmente empregados.
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1220