Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Características Biofísicas da Água de Superfície Detectada por Sensoriamento Remoto
Radiância de Superfície da água, radiância volumétrica de subsuperfície e radiância de fundo
A radiância total (Lt) registrada por um sensor a bordo de uma aeronave ou satélite é uma função da energia
eletromagnética proveniente de quatro fontes indicadas na figura.
Lt = Lp + Ls + Lv + Lb
Onde:
Lp é a porção da radiância registrada por um sensor remoto da radiação
solar direta (Esol) e indireta (Ecéu) descendente que, de fato, nunca
atinge a superfície da água. (Radiância de tragetória)
Ls é a radiância da radiação solar e atmosférica descendente que alcança
a interface ar-água (algumas vezes denominada camada de
superfície livre ou camada limite), mas que penetra apenas cerca de
1mm na água sendo, portanto, essencialmente refletida da superfície
da água. (Reflexão solar ou gliter – sunlight)
Lv é a radiância da radiação solar e atmosférica descendente que de fato
penetra na interface ar-água,
ar água interage com a água e seus
constituintes orgânicos/inorgânicos e então emerge da coluna d’água
sem interagir com o fundo. (radiância volumétrica ou de
subsuperfície)
ã da radiância
â
ã solar e
Lb é a porção
registrada resultante da radiação
atmosférica descendente que penetra a interface ar-água, alcança o
fundo do corpo d’água e é propagada de volta na coluna d’água até
sair do corpo d’água e alcançar o sensor.
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Características Biofísicas da Água de Superfície Detectada por Sensoriamento Remoto
Resposta espectral da água em função do comprimento de onda
Para a água pura:
400 a 500nm = mínima absorção e espalhamento da energia incidente
na coluna d’água (melhor transmissão).
520 a 580nm = a energia incidente é muito bem absorvida e pouco
espalhamento ocorre.
580 a 740nm = o espalhamento da energia se torna insignificante
quando comparado com a absorção.
740 a 3.000nm = quase todo o fluxo radiante incidente é absorvido e
pouco espalhamento ocorre.
Portanto, o espalhamento molecular da energia violeta e azul (< 520nm)
e a significativa absorção de energia nos comprimentos de onda do
verde, amarelo, laranja e vermelho (520 – 700nm) em uma coluna
de d’água são responsáveis pela cor azul que vemos na água pura.
As melhores regiões para discriminar terra de água pura são o IR
próximo e o IR médio (740 a 2.500nm). Nestas regiões do IR os
corpos d’água aparecem muito escuros porque absorvem
praticamente todo o fluxo radiante incidente, especialmente quando
á
a água
é profunda e pura.
Entretanto, deve-se ter cuidado quando existem constituintes orgânicos e inorgânicos na coluna d’água (especialmente
próximo a superfície), porque estes materiais produzem reflexão de superfície no IR próximo e espalhamento volumétrico de
superfície.
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Características Biofísicas da Água de Superfície Detectada por Sensoriamento Remoto
Resposta espectral da água em função dos constituintes orgânicos e inorgânicos – monitorando sedimentos
em suspensão (Turbidez), clorofila e matéria orgânica dissolvida
Ao conduzir estudos de qualidade da água ou tentar prever a produtividade da água usando dados de
sensoriamento remoto,
remoto normalmente estamos interessados na radiância volumétrica de subsuperfície, Lv.
A radiância volumétrica de subsuperfície é uma função da concentração da água pura (w), dos sedimentos
inorgânicos em suspensão (SM), da clorofila a orgânica (Chl), do material orgânico dissolvido (DOM) e da
quantidade total de atenuação por absorção e espalhamento que ocorre na coluna d’água devido a cada um
desses constituintes, c(λ), isto é,
Lv = f [ wc(λ), SMc(λ), Chlc(λ), DOMc(λ) ]
- O pico de reflectância desloca-se
para maiores comprimentos de onda
na faixa do visível quando mais
sedimentos em suspensão são
adicionados.
- A faixa do visível (580 a 690nm)
pode fornecer informações sobre o
tipo de sedimentos em suspensão
(solo) nas águas; e
Medidas in situ de reflectância espectral de água clara e de água com vários níveis
de concentrações de sedimentos.
ó
- O IR próximo
(714 a 880nm) pode
ser útil para determinar a quantidade
de sedimentos em suspensão.
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Características Biofísicas da Água de Superfície Detectada por Sensoriamento Remoto
Resposta espectral da água em função dos constituintes orgânicos e inorgânicos – monitorando sedimentos em
suspensão (Turbidez), clorofila e matéria orgânica dissolvida
O registro da cor de uma área do oceano ou de outro corpo d’água possibilita a estimativa da quantidade e tipo geral
de fitoplancton na área e fornece informação sobre a condição ambiental e química da água.
água
Na água rica em clorofila são evidentes quatro feições pronunciadas de espalhamento/absorção:
- Forte absorção do azul pela clorofila a
entre 400 e 500nm;
- Forte absorção do vermelho pela
clorofila a em aproximadamente 675nm;
- Máximo de reflectância em torno de
550nm (pico do verde) causado pela
absorção relativamente menor do verde
pelas algas;
- Pico de reflectância proeminente em
torno de 690-700nm, causado pela
interação de espalhamento celular das
algas e de um efeito combinado mínimo
ã por pigmento e água.
á
de absorção
Basicamente, quando a concentração de clorofila aumenta na coluna d’água, há um significativo decréscimo na
quantidade relativa de energia refletida do azul e do vermelho, mas um aumento na reflectância do verde.
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Características Biofísicas da Água de Superfície Detectada por Sensoriamento Remoto
Resposta espectral da água em função dos constituintes orgânicos e inorgânicos – monitorando sedimentos em
suspensão (Turbidez), clorofila e matéria orgânica dissolvida
A Matéria Orgânica Dissolvida (DOM) é produzida por:
- O Fitoplâncton dentro da profundidade fótica na coluna d’água, consome nutrientes e os converte em matéria
orgânica via fotossíntese (Produção Primária);
- O zooplâncton consome fitoplâncton e cria matéria orgânica;
- O bacterioplâncton decompõe essa matéria orgânica.
Em certos casos, pode existir matéria orgânica dissolvida na água em quantidade suficiente para reduzir a penetração
d’água.
da luz na coluna d
água.
Penetração na água e batimetria
O mapeamento batimétrico pode ser executado usando sistemas ópticos passivos ou ativos de sensoriamento remoto.
Os levantamentos mais precisos em áreas geograficamente extensas são muitas vezes feitos usando SONAR (que
reflete ondas de som do fundo) e LIDAR (que reflete a luz laser do fundo).
SONAR (SOund, NAvigation and Ranging – Navegação e Medição de Distância pelo Som): o SONAR ativo é
media a distância até o fundo através de eco-sondagem
pelo envio de um p
pulso acústico via um
usado para
p
g
p
transdutor.
Os pulsos acústicos são refletidos pelo fundo marinho e os ecos refletidos são recebidos pelo transdutor.
O tempo entre o envio e o retorno do eco pode ser então utilizado para determinar precisamente a profundidade.
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Características Biofísicas da Água de Superfície Detectada por Sensoriamento Remoto
Penetração na água e batimetria
Existem três principais tipos de sistemas SONAR: SONAR de feixe único; SONAR de feixe múltiplo; SONAR de varredura lateral.
i ã oblíqua
blí
d batimetria.
b i
i
Visão
da
Primeira imagem: Batimetria do Lago Tahoe
resultante do uso do sistema SHOALS LIDAR
para profundidade <15m e de um SONAR
Kongsberg de múltiplos feixes para superfícies
>15m.
Segunda Imagem: Tons mais claros nos dados de
retroespalhamento acústico indicam superfícies
mais duras, como rochas.
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Características Biofísicas da Água de Superfície Detectada por Sensoriamento Remoto
Penetração na água e batimetria
LIDAR (LIght Detection And Ranging – Detecção e Medição pela Luz): exemplo SHOALS (Scanning Hydrographic
Operational Airborne Lidar Survey).
O sistema SHOALS envia simultaneamente um pulso de laser no IR próximo (1064nm) e um no verde (532nm) em
direção da superfície d’água.
A maior parte do pulso do IR próximo é absorvido pela água, conforme esperado, mas uma certa quantidade é
refletida de volta ao receptor LIDAR.
Uma porção do pulso verde também é absorvida pela água, mas uma quantidade suficiente alcança o fundo e é
refletida de volta ao receptor LIDAR.
O verde é utilizado porque pode penetrar na água costeiras típicas com atenuação mínima. Sua máxima profundidade
é de aproximadamente 60m.
A profundidade da água é calculada a partir da diferença de tempo entre o retorno do IR próximo pela superfície e o
retorno do verde pelo fundo e também da velocidade da eem no ar e na água.
A batimetria por LIDAR aerotransportado supera as limitações dos sensores acústicos (SONAR) em alguns pontos:
- Opera especialmente bem em água rasa, onde os barcos encalham;
á
- Possibilita o levantamento de áreas
costeiras arriscadas (ex., com ondas altas) de forma segura;
- Por ser móvel, permite rápida resposta em situações de emergência;
- Áreas extensas podem ser inventariadas rapidamente, propiciando vantagens econômicas.
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Características Biofísicas da Água de Superfície Detectada por Sensoriamento Remoto
Temperatura da superfície da água
A água tem uma emissividade (ε) muito próxima a 1.
Desta forma,
forma é possível obter medidas relativamente precisas da temperatura da superfície da água,
água porque a medida
de temperatura radiante registrada pelo sensor (Trad) é aproximadamente igual à temperatura cinética verdadeira
(Tkin), assumindo que os efeitos da atmosfera são levados em conta.
Mapa de temperatura da
superfície do mar (TSM)
resultante
de
uma
composição de três dias de
d d
dados
d
do
i f
infravermelho
lh
termal do NOAA AVHRR
com a série centrada em 4
de março de 1999.
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Precipitação
A precipitação pode ser medida operacionalmente, em base local ou regional, usando s.r. ativo de microondas com
sensores operando fixos em superfície (são os chamados radares meteorológicos).
O radar meteorológico, por exemplo, emite um feixe de eem com um λ de 11,1cm.
Se a eem atinge um objeto (gota d’água, floco de neve, granizo, pássaro, etc.) ela é espalhada.
Uma pequena fração da energia espalhada pode dirigir-se de volta para a antena de radar.
O alcance máximo deste tipo de radar é de aproximadamente 400km.
No caso de sensores remotos os valores de precipitação são obtidos de forma indireta através da reflectância das
nuvens, temperatura do topo das nuvens e/ou da presença de precipitação de neve e granizo para estimar as taxas de
precipitação pluviométrica na superfície.
Técnicas do visível - IR
Apesar das dificuldades existentes em utilizar dados do visível e IR algumas técnicas forma desenvolvidas:
- Duas estimativas diárias de radiação de ondas longas emergentes usando os sensores de órbita polar do IR a bordo
do AVHRR para estimar precipitações mensais, e
- Um índice denominado GOES Precipitation Index (GPI), que se baseia na análise de dados do IR termal,
classificando os pixeis como “chuvosos” numa taxa de 3mm/h se a temperatura do topo de nuvens for <235K.
O GPI já foi o produto climatológico de precipitação padrão, que fornecia um registro de precipitação em escala
climática nos trópicos e subtrópicos.
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Precipitação
Técnicas do microondas ativas e passivas
O primeiro sensor de microondas para estimativa da taxa de precipitação foi o SSM/I (Special Sensor Microwave
Imager) em 1987 e incluía um canal de alta frequência em 85,5GHz.
Basicamente, partículas do tamanho do gelo e grandes gotas de chuva reduzem significativamente a emissividade da
nuvem e, portanto, diminuem sua temperatura de brilho abaixo de um nível nominal de referência (background).
Em 1997 a NASA e a NASDA lançaram o satélite Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) com cinco
instrumentos utilizados para estimativas de precipitação das regiões tropicais e subtropicais:
- O TMI (TRMM Microwave Imager) mede o volume de precipitação integrada na coluna em uma faixa de 780km de
largura (Opera nas frequências de 10,7; 19,4; 21,3; 37 e 85,5GHz.
- O PR (Precipitation Radar ) mede a distribuição tridimensional da chuva sobre o continente e os oceanos (13,8GHz
com polarização HH).
- O VIRS (Visible Infrared Scanner ) fornece informação sobre a cobertura de nuvens e sobre o tipo e temperatura do
μ
topo de nuvens (Opera em 0,63; 1,6; 3,75; 10,8 e 12 μm).
- O LIS (Lightning Imaging Sensor ) mede a incidência global de reai9os usando um sistema de s.r. óptico operando
em 0,777 μm.
- O CERES (Clouds and Earth’s Radiant Energy System ) é projetado para medir a energia radiativa refletida e emitida
í
ó
pela superfície
da Terra e pela atmosfera e seus constituintes (p. ex. nuvens e aerossóis),
com as seguintes bandas:
de 0,3 a 5 μm e de 8 a 12 μm.
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Aerossóis e Nuvens
Os aerossóis podem ser sólidos ou líquidos e variar em tamanho de 0,01 μm até várias dezenas de micrometros.
Até recentemente não havia um instrumento capaz de estudar a composição dos aerossóis na atmosfera. O MISR
(Multiangle Imaging SpectroRadiometer) a bordo do satélite Terra do programa EOS coleta informações em quatro
bandas espectrais e nove ângulos de visada para obter informação quantitativa sobre a localização e conteúdo dos
aerossóis.
Mais do qualquer outro componente do sistema climático, as nuvens afetam o fluxo de energia na atmosfera da Terra.
Uma nuvem pode aquecer ou resfriar a Terra, dependendo da sua espessura e altura acima da superfície.
Nuvens baixas e espessas refletem a radiação solar incidente de volta para o espaço, causando resfriamento.
Nuvens altas aprisionam a radiação IR emergente e produzem o efeito estufa.
Nuvens no visível: Os primeiros satélites meteorológicos mediam apenas a energia refletida pelas nuvens na faixa do
visível. Nesta faixa do eem as nuvens aparecem claras enquanto a superfície continental e a água aparecem mais
escuras.
O METEOSAT trabalha com 3 canais, visível (0,4 a 1,14μm), IR termal (10,5 a 12,5μm) e vapor d’água (5,1 a 7,1μm).
Nuvens no IR termal: a banda mais utilizada é entre 10 e 12,5μm, onde a atmosfera é relativamente transparente à
energia nesse comprimento de onda emergente da superfície da Terra e das nuvens.
Em meteorologia por satélite as imagens IR são normalmente invertidas, isto é, quanto maior for a radiância de um
píxel, mais escuro ele será. Assim, nuvens que são normalmente mais frias do que a superfície da Terra, aparecem em
branco nas imagens do visível. O terreno ou oceanos, mais quentes, aparecem mais escuros do que as nuvens.
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Aerossóis e Nuvens
É possível determinar o tipo de nuvem com base em medidas
espectrais nas porções do visível e infravermelho.
Nuvens cumulonimbus convectivas são frias e claras.
O mar e a superfície da terra são mais quentes e escuros.
Muitos trabalhos estão sendo feitos para detectar a presença de
nuvens usando um limiar de temperatura fria no IR termal.
O objetivo é identificar pixels com baixa temperatura que
correspondem a nuvens de média ou alta altitude.
Normalmente o p
principal
problema é especificar
o valor exato do
p p
p
limiar de temperatura.
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Vapor d’água
O vapor d’água é essencial para a precipitação. Não apenas é o mais importante gás estufa na atmosfera, como
também tem um papel essencial para a compreensão e previsão dos processos meteorológicos mais importantes,
desde a convecção até a formação de nuvens e precipitação, e dos fortes temporais resultantes.
É possível mapear o vapor d
d’água
água medindo as bandas de absorção de vapor d
d’água
água. O λ mais comum está centrado
em 6,7 μm (o METEOSAT 4 trabalha na região espectral de 5,1 a 7,1 μm).
Neste comprimento de onda a maior parte da radiação medida pelo sensor vem da camada atmosférica entre 300 e
600km de altitude.
A umidade relativa é provavelmente mais alta nas áreas mais claras das imagens obtidas na banda de vapor d’água.
Áreas claras e escuras podem também indicar movimentos ascendentes e descendentes, respectivamente.
Também posso utilizar o IR próximo na faixa de λ que vai de 890 a 990nm onde existem três bandas de absorção de
vapor d’água: uma forte centrada em 942nm e duas mais fracas em 906 e 977nm.
O MODIS possuir as seguintes bandas nesta faixa do eem: Banda 17 (0,890 – 0,920μm), Banda 18 (0,931 – 0,941μm)
e Banda 19 (0,915 a 0,965μm).
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Neve
Neve no espectro vísivel
Quando as nuvens não estão presentes em uma imagem do visível e/ou IR próximo, é uma tarefa relativamente
simples identificar a distribuição espacial da neve, porque geralmente ela é mais clara do que a vegetação, solo ou
água próxima que não estejam cobertos por neve.
neve
Neve nas regiões do IR médio
Nas porções do visível e do IR próximo, nuvens e neve refletem
quantidades aproximadamente iguais de fluxo radiante.
Na porção do IR médio (1,5 a 2,5 μm) as nuvens continuam a refletir
quantidades substanciais de eem, enquanto a reflectância da neve
aproxima-se
aproxima
se de zero.
Alguns índices foram criados para detectar automaticamente regiões
com neve (NDSI – Normalized Difference Snow Index):
TM 2 = 0,52 – 0,60μm
TM 5 = 1,55 – 1,75μm
MODIS 4 = 0,545 – 0,565μm
MODIS 6 = 1,628 – 1,652μm
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS
Sensoriamento Remoto da Água:
Modelagem da qualidade da água
Fontes pontuais de poluição da água são fáceis de controlar e regular.
A NPS (Poluição de fonte não-pontual) é definida como a poluição que se origina de descargas urbanas, construção,
modificação hidrológica, silvicultura, mineração, agricultura, fluxos de retorno de irrigação, lixo sólido, deposição
atmosférica erosão de bancos de rios e esgotos,
atmosférica,
esgotos etc.
etc
Técnicas tradicionais de medidas in situ têm tido um efeito limitado na identificação e modelagem da NPS, assim a
integração destes dados e de s.r. com técnicas de modelagem em SIGs podem fornecer informações útil sobre a
qualidade da água.
Modelagem da poluição de fonte não-pontual usando o modelo de poluição e qualidade da
água “Agricultural NonPoint Source (AGNPS)” aplicado a duas subbacias. a) Hidrografia da
bacia Withers Swash em Myrtle Beach, SC. A modelagem baseou-se em células de
30x30m e em uma precipitação de 68mm em 24 horas. b) Topografia foi obtida
f t
fotograficamente
fi
t e usada
d para extrair
t i a informação
i f
ã de
d declividade.
d li id d c)) Dados
D d dos
d solos
l
foram amostrados em campo. d) As características de cobertura da terrra foram obtidas
de análise de fotografias aéreas e de dados do sensor multiespectral ATLAS. e) Fluxo
concentrado de pico modelado em pés cúbicos por segundo. f) Erosão total da célula
modelada em toneladas por acre (Schill e Jensen, 1998).