Detecção Remota
DETECÇÃO REMOTA POR
MICROONDAS:
APLICAÇÕES TERRESTRES E À
SUPERFÍCIE OCEÂNICA
Docente Responsável: Professora Doutora
Maria Dolores Manso Orgaz
Autor: André Filipe Baptista Fernandes (Nº 50343)
Índice
Introdução;
- Descrição Geral do Módulo;
- Objectivos de Aprendizagem;
- Observação das Superfícies
Oceânicas e Terrestres com
Microondas;
- Emissões de Microondas;
-
Índice (continuação):
Humidade do Solo e Humidade da Superfície:
. Por que medir a humidade do solo de uma forma remota?
- Necessidade de dados da humidade do solo;
- Humidade do solo e previsão do tempo;
- Aplicações e utilizações;
- Por que medir a humidade do solo a partir de um satélite?
- Técnicas passivas e activas da detecção da humidade do solo.
. Como se vêem as superfícies húmidas e secas a partir do espaço?
- Comparação das superfícies húmidas e secas;
- Curvas de emissão;
- Sinal característico de precipitação;
- Interferência de radiofrequência;
- Profundidade de penetração no solo em função da frequência;
- Profundidade de penetração no solo em função do conteúdo de humidade.
- Conclusão;
- Bibliografia.
-
Introdução
A detecção remota através de satélites é uma ferramenta
importante para observar as superfícies terrestres e oceânicas do
nosso planeta. A detecção remota por microondas obtidas a partir
de satélites em órbita polar tem uma importância acrescida,
porque:
- os satélites em órbita polar permitem efectuar uma cobertura
global;
- a radiação de microondas atravessa a maioria das nuvens e
permite observar as estruturas superficiais em quase todas as
condições atmosféricas;
- a polarização e a emissividade, que afectam a radiação de
microondas, variam com o comprimento de onda / frequência e
com as características do material do corpo emissor.
Deste modo, a observação através de satélites da radiação de
microondas e da sua variabilidade permitem identificar e
caracterizar propriedades específicas da superfície, que são
importantes para o estudo do tempo e do clima.
Descrição Geral do Módulo
.
Na primeira secção, são apresentadas as vantagens da detecção
remota por microondas através de um satélite com órbita polar, bem
como uma breve descrição de algumas das características espectrais
exclusivas que permitem diferenciar os vários tipos de superfícies e as
suas propriedades;
. As restantes secções apresentam, de um modo mais aprofundado, a
derivação e aplicação dos produtos de microondas que quantificam
quatro propriedades distintas da superfície terrestre e oceânica e as
suas características: humidade do solo e da superfície, manto de neve
e o seu equivalente em água, gelo marinho e a temperatura da
superfície do mar. Por fim, serão apresentadas algumas limitações dos
produtos da detecção remota por microondas aplicados em terra e à
superfície oceânica.
Objectivos de Aprendizagem
- Descrever as vantagens da detecção remota por microondas para
observar diferentes propriedades da superfície em comparação com o
uso de métodos no visível e no infravermelho;
- Descobrir as principais áreas de aplicação e os grupos de
utilizadores que podem tirar proveito da caracterização da humidade
do solo e da superfície, manto de neve, gelo marinho e temperatura da
superfície do mar;
- Compreender os princípios básicos que permitem a detecção
remota por microondas das propriedades das superfícies em causa;
- Compreender as limitações comuns da obtenção das propriedades
das superfícies descritas no módulo;
- Descrever algumas das limitações particulares de cada uma das
quatro propriedades das superfícies em causa;
- Identificar os sistemas de satélite em órbita polar que estão
disponíveis na actualidade e aqueles cuja implementação está
programada para o futuro.
Observação das Superfícies Oceânicas
e Terrestres com Microondas
Fig. 1 – Vários aspectos do planeta Terra – imagem
gerada por AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit),
10 de Novembro de 2005
Observação das Superfícies Oceânicas
e Terrestres com Microondas
. Nos oceanos, em média, as
nuvens ocultam 70 % da
superfície;
. Uma vez que, em certas
frequências, a radiação de
microondas consegue penetrar
a maioria das nuvens, é
possível observar as estruturas
da superfície oceânica;
. A detecção remota por
microondas permite realizar
observações tanto de dia como
de noite, permitindo detectar
variações nas emissões
terrestres de microondas a
partir dos satélites,
independentemente das
condições de iluminação.
Fig. 2 – Média da cobertura de
nuvens em dois anos
Emissões de Microondas
A quantidade de radiação de microondas emitida pela
superfície terrestre depende das interacções entre a energia
e os diversos elementos e estruturas que compõem a
superfície.
Fig. 3 – Propriedades das superfícies
terrestre e oceânica a estudar neste módulo
As duas propriedades que
afectam, de um modo
considerável, a quantidade
de radiação de
microondas emitida são a
polarização e o efeito
dieléctrico. Cada
propriedade varia segundo
o comprimento de onda e
as características físicas
do material reflector ou
emissor. Este facto
permite distinguir os
elementos sólidos dos
líquidos e congelados,
tanto sobre terra firme
como nas superfícies
oceânicas.
Fig. 4 – Emissões de
microondas para tipos de
superfícies comuns
Humidade do Solo e
Humidade da
Superfície
Por que medir a
humidade do solo de
uma forma remota?
Necessidade de Dados da
Humidade do Solo
A humidade do solo desempenha um papel fundamental
na condição das superfícies de terra firme do planeta e afecta
a saúde e a segurança da população, bem como
determinados sectores como os transportes e a agricultura. É
um aspecto essencial para compreender, modelar e prever a
hidrologia, os ecossistemas, o tempo e o clima em terra
firme.
Em termos agrícolas, é fundamental conhecer o conteúdo
de humidade da camada superior do solo para poder vigiar as
condições dos cultivos. É igualmente importante estar atento
ao conteúdo de humidade das camadas do subsolo a maior
profundidade para poder planear as actividades agrícolas e
administrar os recursos hídricos.
Um nível baixo de humidade do solo pode conduzir a uma situação de seca e
criar condições propícias à ocorrência de incêndios em zonas despovoadas.
Fig. 5 – Índice de severidade de seca
em Palmer a largo prazo (valores
semanais para o período terminado
a 23 de Junho de 2007)
Fig. 6 – Imagem em cor falsa
nos EUA, 8 de Agosto de
2000
Também pode ocorrer a situação inversa, ou seja, quantidades elevadas de
precipitação e de humidade podem conduzir a um aumento do perigo de
inundações.
Fig. 7 – Quinta inundada no Médio
Oeste dos EUA, 1993
Estas possibilidades mostram a grande importância de observar as condições
de humidade do solo de uma forma eficaz e contínua.
Humidade do Solo e
Previsão do Tempo
A humidade do solo tem implicações importantes para as
previsões meteorológicas. Os modelos de previsão
meteorológica necessitam de uma informação exacta sobre a
transferência de humidade do solo e energia da atmosfera
inferior para poder prever com exactidão o momento, o lugar
e a intensidade das circulações locais de vento e o
desenvolvimento de nuvens.
A aquisição de dados mais específicos sobre as variações
regionais dos padrões de humidade da superfície pode ajudar
a prognosticar a posição de tempestades, linha secas,
temperaturas máximas e mínimas e condições de visibilidade
limitada provocadas por fumo, nevoeiro e neblina.
As tendências de humidade do solo relacionam-se com os
padrões e mudanças no clima local e regional.
Fig. 8 – Imagens
relativas a uma
inundação
ocorrida em
Buffalo Creek,
Colorado, EUA
Através da fig. 8, pode-se constatar que, no caso desta
inundação ocorrida em Buffalo Creek no dia 13 de Julho
de 1996, houve uma grande melhoria no modelo de
previsão de precipitação quando este passou a incorporar
uma representação exacta da humidade do solo na
condições iniciais.
Aplicações e Utilizações
A informação sobre a humidade do solo
utiliza-se em planificações civis e militares no
trabalho de formulação de políticas, previsões e
investigações em diversos campos como a
meteorologia, a hidrologia e a agronomia, e tem
várias utilizações, tais como a administração dos
recursos hídricos e usos do solo, planificação
agrícola, previsões do tempo e hidrológicas e
investigações climáticas.
Tabela 1 – Uso de dados de humidade do solo
Por que medir a humidade do solo a
partir de um satélite?
. As medições de humidade do solo realizadas
in – situ oferecem a vantagem de se poderem
actualizar frequentemente, mas, geralmente, são
raras e até inexistentes em alguns locais.
. As observações a partir dos satélites em órbita
polar ajudam a resolver o problema, uma vez que
fornecem uma cobertura renovada constantemente
de grandes zonas com uma resolução quase
uniforme.
. Muitos satélites em órbita polar são capazes de gerar mapas de cobertura
global a partir de dados da detecção remota por microondas ,
independentemente das condições meteorológicas.
. A radiação de microondas, em especial nas frequências mais baixas, é
muito sensível a mudanças na humidade da superfície e penetra todas as
camadas de nuvens, excepto as mais densas e as que produzem precipitação.
Fig. 9 –
Humidade do
solo global, 2
de Setembro
de 2006
Técnicas Passivas e Activas de Detecção da
Humidade do Solo
A abordagem tradicional para
obter dados de humidade do
solo depende do uso de
instrumentos de satélites com
sistemas de microondas
passivos, como o radiómetro de
microondas multicanal
(Scanning Multichannel
Microwave Radiometer,
SMMR), o sensor especial e
gerador de imagens de
microondas (Special Sensor
Microwave/Imager, SSM/I) e o
radiómetro de varrimento
avançado por microondas
(Advanced Microwave Scanning
Radiometer, AMSR-E).
Fig. 10 – Gerador de imagens de
microondas AMSR–E a bordo do satélite
EOS Aqua
. As aplicações baseadas nas
observações dos instrumentos que
usam sistemas de microondas
activos, como o dispersómetro e o
radar de abertura sintética, estão a
ter cada vez mais importância nas
comunidades científica e operativa,
pois a sua capacidade de fornecer
informação complementar sobre a
humidade do solo parece bastante
prometedora;
. Nos futuros satélites NPOESS, a
combinação de medições da
humidade do solo com sistemas de
microondas passivos e dados de
vegetação e tipos de solos permitirá
efectuar melhores observações das
condições de humidade do solo
quase em tempo real.
Fig. 11 – Satélite NPOESS
Como se vêem as
superfícies húmidas
e secas a partir do
espaço?
Comparação de Superfícies
Húmidas e Secas
. Em regiões com poucas nuvens
e com vegetação relativamente
escassa, o conteúdo de humidade
do solo superficial é o factor
predominante nas emissões de
radiação de microondas a partir da
superfície;
. Uma das propriedades
electromagnéticas mais
importantes na observação das
superfícies na região do
microondas é o efeito dieléctrico.
Este efeito explica a maior parte
da reflexão e dispersão que ocorre
à medida que a radiação
interactua com as moléculas da
superfície e quantifica-se por um
termo conhecido como constante
dieléctrica.
Fig. 12 – Comparação da radiação de
microondas emitida em superfícies
secas e húmidas
. A constante dieléctrica da água é muito superior à do solo seco e existe
uma correlação entre o efeito dieléctrico e a emissividade. A
emissividade é inversamente proporcional ao efeito dieléctrico, de
maneira que, à medida que o efeito dieléctrico aumenta, a emissivdade
diminui;
. A introdução de água no solo leva a um aumento drástico da constante
dieléctrica e uma consequente diminuição da emissividade do solo.
Fig. 13 e 14 – Efeito dieléctrico e
emissividade
Curvas de Emissão
O gráfico mostra os valores
da emissividade de
mincroondas para várias
superfícies terrestres e
oceânicas. Uma vez que as
temperaturas de brilho do
canal da janela atmosférica
estão directamente
relacionadas com a
emissividade da superfície,
as observações por meio de
satélites da temperatura de
brilho podem-se utilizar
para quantificar a
emissividade para extrair
informação sobre vários
parâmetros da superfície.
Fig. 4- Emissões de superfícies para
tipos de superfícies comuns
Se repararmos nas curvas
de solo seco, solo húmido e
água marinha, conseguemse observar diferenças
importantes entre estes três
tipos de superfícies. A
emissividade sobre terra
firme pode variar
consideravelmente segundo
o tipo de superfície e a
frequência de emissão de
microondas, entre 10 e 100
GHz. Repare-se na
diminuição da emissividade
nas superfícies húmidas em
comparação com o solo
seco, em especial para as
baixas frequências.
Fig. 15- Emissões de superfícies para
tipos de superfícies comuns (destaque
para água marinha, solo seco e solo
húmido)
. Na fig. 16, está representada
a emissividade da radiação
polarizada verticalmente em
função de diferentes
percentagens de humidade da
superfície;
. Conclui-se que, à medida que
se introduz água na superfície,
a sua emissividade vai
diminuindo e que este efeito é
mais pronunciado nas
frequências mais baixas.
Fig. 16 – Emissões de microondas
teóricas sobre terra firme em função da
humidade da superfície
Sinal Característico de Precipitação
.A forte diminuição na
emissividade associada ao
aumento de humidade no solo
pode ser detectada com
instrumentos de microondas
passivos que incorporam canais de
frequências mais baixas na região
de 6 a 10 GHz.
. As duas imagens de 7 GHz da fig.
17 mostram claramente como a
emissividade reduzida associada
aos lagos e ao solo humedecido
pela chuva correspondem a
temperaturas de brilho observadas
mais baixas quando se observam
com o sensor de um sistema de
microondas passivo.
Fig. 17 – Características da humidade do
solo entre 1 de Julho de 2002 e 4 de Julho
de 2002
.Os valores de emissividade
reduzida correspondem a
temperaturas de brilho
observadas mais baixas, uma vez
que a temperatura de brilho de
um corpo equivale
aproximadamente ao produto
entre a emissividade e a sua
temperatura física;
. Ao comparar as duas imagens,
constata-se, evidentemente, que
os lagos são regiões mais frias
em ambos os dias. No entanto,
na imagem da direita (registada
mais tarde), um dos lagos parece
que cresceu, mas, na realidade, o
sinal da temperatura mais baixa
deve-se à humidificação do solo
causada por precipitação recente.
Fig. 17 – Características da humidade do
solo entre 1 de Julho de 2002 e 4 de Julho
de 2002
Interferência de Radiofrequência
. Os canais de baixa frequência de microondas são preferíveis na
obtenção de dados de humidade do solo devido à sua sensibilidade à
água e à sua capacidade de penetrar no solo a maiores
profundidades. Contudo, algumas destas mesmas bandas de
frequências são também usadas para outros fins, como as
comunicações por microondas com telefones celulares ou móveis;
. Este efeito torna-se notório nas temperaturas de brilho de 6 a 7
GHz e designa-se por interferência de radiofrequência ou RFI
(Radio Frequency Interference). Os pontos onde este efeito é maior
aparecem quase sempre sobre terra firme e, frequentemente, na
proximidade de grandes cidades e estradas importantes. Estas
interferências contaminam fortemente os dados empregados para
obter certos tipos de produtos de satélites de microondas (como os
da humidade do solo).
Fig. 17 – Características da
humidade do solo entre 1 de
Julho de 2002 e 4 de Julho de
2002
Na fig. 17, consegue-se ver
como uma fonte de RFI aumenta
artificialmente a temperatura de
brilho detectada pelo satélite
Fig. 18 – Imagem obtida com o
canal de polarização vertical de 6
GHz de AMSR-E, EUA, 6 de
Janeiro de 2005
Na fig. 18, vê-se que as zonas
“quentes” de comunicações se
relacionam com as principais
áreas metropolitanas e os
corredores de transporte ao longo
da costa oriental dos EUA
Profundidade de Penetração no Solo
em função da frequência
A profundidade de penetração no solo define-se como a camada
superior do solo na qual se origina 63 % da radiação terrestre
emitida a uma dada frequência.
. A profundidade de penetração
é maior para as frequências de
microondas mais baixas (1 a 10
GHz, por exemplo), porque o
solo absorve e dispersa os
comprimentos de onda maiores
em menor medida;
. A penetração é
consideravelmente menor para
frequências mais altas (85 a 89
GHz, por exemplo) e estes
canais só comunicam
informação sobre a camada
superior do solo numa espessura
de milímetros.
Fig. 19 – Profundidade de
penetração no solo
.Uma regra geral que se
aplica na observação de solos
relativamente secos com
sistemas de microondas
passivos é que a
profundidade de penetração
equivale aproximadamente ao
comprimento de onda da
radiação;
. A tabela 2 mostra as
profundidades de penetração
aproximadas para as
frequências de uso comum
em vários sensores de
microondas actuais.
Tabela 2 – Profundidade de
penetração no solo seco em
função da frequência
Profundidade de Penetração no Solo
em função do conteúdo de humidade
. Na fig. 20, vê-se que, quando
aumenta o conteúdo de humidade
do solo, a profundidade de
penetração diminui. Recorde-se
que uma camada de solo
relativamente molhada dispersa e
reflecte mais energia, de maneira
que a sua emissividade é menor
em relação a um solo seco. Este
maior grau de dispersão e
reflexão bloqueia parte da
radiação e impede-a de atingir a
superfície, de modo que um
satélite recebe progressivamente
menos energia das camadas cada
vez mais profundas;
. Repare-se ainda na vantagem de
usar frequências mais baixas,
pois a profundidade de
penetração no solo aumenta.
Fig. 20 – Profundidade de
penetração no solo em função
da frequência e do conteúdo de
humidade do solo
Conclusão
Como vimos, a detecção remota por microondas
tem várias aplicações ao nível terrestre e da superfície
oceânica. O estudo das quatro propriedades abordadas
neste módulo é essencial para uma ampla gama de
campos e actividades, tais como a meteorologia, a
climatologia, a oceanografia, a hidrologia, a
agricultura, a observação de condições ambientais e o
comércio.
No que diz respeito à humidade da superfície e do
solo, foram aqui abordados alguns aspectos. Veremos
em seguida como é que se passa da observação aos
produtos, ouviremos falar de alguns instrumentos e
produtos e ficaremos a conhecer algumas das
utilizações dos instrumentos e das características dos
produtos.
Bibliografia

Sítio da Internet
http://torre.fis.ua.pt/remote_sensing.asp -
Documento “Percepción remota por
microondas: Aplicaciones terrestres y
de superficie oceánica”