Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
Energia Eletromagnética
Teoria Ondulatória
(Huygens Maxwell)
(Huygens-Maxwell)
c=λ.f
A energia eletromagnética se propaga
seguindo um modelo harmônico e
contínuo na velocidade da luz, em dois
campos ortogonais, um elétrico (E) e
outro magnético (B).
(Pinilla, 1995)
Teoria Corpuscular
(Planck-Einstein)
Q=h.c/λ
Q=h.f
A energia eletromagnética se propaga
como uma sucessão de unidades discretas
d energia
de
i d
denominados
i d fót
fótons ou
quantuns com massa igual a zero.
c = Velocidade de propagação da e.e.m.
λ = Comprimento
C
i
t de
d onda
d da
d radiação.
di ã
f = Frequência do sinal.
Q = Quantidade de energia do fluxo radiante
h = Constante de Planck
•
Quanto maior o comprimento de
onda – ou menor a frequência – o
conteúdo energético é menor e vice
versa.
•
As radiações de maior comprimento
de onda são as mais difíceis de
detectar.
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Espectro Eletromagnético
NEWTON
NÃO VISÍVEL
NÃO VISÍVEL
HERSCHEL
(Chuvieco, 1993)
E.E.M.: Conjunto
j
de comprimentos de onda/frequência ordenados de forma sequencial.
Bandas: Intervalos do e.e.m. em que o sinal apresenta características similares.
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Radiação Eletromagnética
NOMENCLATURA (I)
Conceito
Definição
Unidades
Energia
Capacidade para realizar um trabalho.
Joules (J)
Energia
Radiante
Q
Energia radiada em todas as direções e
transmitida em forma de ondas
eletromagnéticas
eletromagnéticas.
Joules (J)
Densidade de
Energia
Radiante
W
Taxa de variação de energia radiante por
unidade volumétrica.
Fluxo radiante
Φ
Taxa de variação de energia radiante por
unidade de tempo.
Densidade de
fl
fluxo
radiante
di t
E
Densidade de fluxo radiante sobre una
superfície por unidade de área.
Emitância o
Exitância
M
Densidade de fluxo radiante que deixa uma
superfície por unidade de área.
I
Fluxo radiante emitido por una fonte pontual
por unidade de ângulo sólido numa
determinada direção.
L
Total de energia radiada em una direção por
unidade de área e de ângulo sólido.
Radiância
dQ
dV
Φ=
[J m ]
3
dQ
[W ]
dt
[W m ]
Fluxo radiante interceptado por unidade de
superfície
fí i plana.
l
Irradiância
Intensidade
radiante
W=
2
I=
L=
dΦ
dΩ
[W
[
sr ]
dI
cosθ W m2 sr
3
dA
]
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Radiação Eletromagnética
NOMENCLATURA (II)
Radiano: Ângulo plano
cujo comprimento do
arco é igual ao raio.
αÆL=r
Estéreo-radiano:
Ângulo sólido que
se forma quando a
superfície do
casquete esférico
(A) é igual ao
quadrado do raio
(r) da esfera.
ΩÆA=r2
Radiância.- Intensidade radiante
por unidade de área normal a fonte
numa dada direção
direção.
L
α
r
Ángulo Sólido
Ω
(Pinilla, 1995)
(Modificado de Mather, 2003)
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Energia Eletromagnética
NOMENCLATURA (III)
Conceito
Definição
Radiância Espectral
Lλ
Radiância para um determinado comprimento de
onda.
Exitância Espectral
Mλ
Emitância para um determinado comprimento de
onda.
Irradiância Espectral
Eλ
Irradiância para um determinado comprimento
d onda.
de
d
Emissividade
ε
Relação entre a Exitância de uma superfície (M),
e a Exitância de um emissor perfeito (corpo
negro),
g ), a mesma temperatura.
p
Refletância
ρ
Relação entre o fluxo incidente e o fluxo refletido
numa superfície.
Absortância
α
Relação entre o fluxo incidente e o fluxo
absorvido numa superfície.
Transmitância
τ
Relação entre o fluxo incidente e o fluxo
transmitido numa superfície.
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Leis da Radiação Eletromagnética
O CORPO NEGRO
• A superfície de um corpo negro mantido numa certa temperatura emite
radiação em todos os comprimentos de onda
• Se denomina “corpo negro” a um emissor e receptor de energia perfeito
(ideal).
(ideal)
Simulação de um
“corpo negro”
(Pinilla, 1995)
• Se o Sol fosse um emissor perfeito se poderia considerar como um
exemplo de “corpo negro” onde toda a energia calorífica se transforma
em energia radiante.
• A radiação emitida pelo corpo negro se explica pelas Leis da Radiação
Radiação.
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Leis da Radiação Eletromagnética
1.- Lei de PLANK
• Relaciona o fluxo de energia com o comprimento de onda.
• A lei descreve a Exitância Espectral para o corpo negro:
M λ ,T =
8πhc
1
λ 5 ehc λkT − 1
• h = Constante de Planck =6,626·10-34 W·s2
• k = Constante de Boltzman =1,38054±0,00006·10-16 erg.K-1
Emita
ancia Radiativa espectral Eλ (W
Wm-2 μm-1)
• A densidade de energia radiante de um corpo negro para um comprimento de
onda λ (exitância espectral) em uma determinada temperatura T, depende do
comprimento de onda e da temperatura.
(Pinilla, 1995)
Curvas de Exitância de um corpo
negro em distintas
temperaturas.
temperaturas
• Qualquer objeto com
temperatura superior ao zero
absoluto radia energia e esta
aumenta com a temperatura.
temperatura
• Para maiores temperaturas, o
corpo negro radiará com maior
intensidade nos comprimentos
de onda mais curtos.
curtos
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Leis da Radiação Eletromagnética
2.- Lei de STEFAN-BOLTZMAN
• Todos os corpos por cima do zero absoluto (-273ºC ou 0 K), emitem radiação.
• Esta Lei explica a relação existente entre a intensidade de radiação e a
temperatura de um corpo negro.
• A Exitância Espectral de um corpo negro para todos os comprimentos de onda,
permite obter a energia total radiada por unidade de superfície:
M = σ ⋅T
4
• σ= Constante
C
t t d
de St
Stefan-Boltzman=
f B lt
5
5,67.10
67 10-88wK
K-44
• T= Temperatura Absoluta (ºK)
• A Exitância global de um objeto está em função da sua Temperatura, e
pequenas mudanças nesta implicam grandes variações da sua Exitância.
Exitância
(Mather, 2003)
Conhecendo-se
C
h
d
a temperatura
t
t
do
d
objeto emissor se pode estimar a
Irradiância sobre o sensor.
Curvas de Exitância para o corpo negro
a 290 K e 5.900 K, temperaturas
aproximadas da Terra e do Sol.
• A distribuição da Exitância de um
corpo negro a 5.900 K está próxima a
curva da Exitância Solar.
• Pode-se considerar que a Terra atua
como um corpo negro a 290 K.
• A radiação solar máxima se produz a
0,47μm.
• 46% da energia total transmitida pelo
Sol é realizada na faixa do visível
í
(0,40
– 0,76μm)
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Leis da Radiação Eletromagnética
3.-
Lei do deslocamento de WIEN
•
O comprimento de onda em que se
produz a máxima Exitância espectral a
uma temperatura dada é:
λ max =
(Modificado de Chuvieco, 2002)
2.898 (μmK )
T (K )
•
Os valores máximos de Exitância se
deslocam em direção a comprimentos de
onda mais curtos ao aumentar a
temperatura.
temperatura
•
Permite selecionar a banda mais
adequada para detectar um objeto a uma
determinada temperatura.
A seleção de bandas para seu uso no sensoriamento remoto está limitada,
principalmente, pelas:
1
1.
Características da fonte de radiação.
radiação
2. Os efeitos de absorção y dispersão atmosférica.
3. A natureza do objeto.
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Fontes de Radiação Eletromagnética
SISTEMAS DE SENSORIAMENTO REMOTO
Passivos:
• Emissão e Reflexão natural (1)
• Emissão natural (2)
Ativos:
• Emissão-Reflexão
E i ã R fl ã artificial
tifi i l (3)
(Chuvieco, 1993)
(3)
(1)
(2)
Sensor Passivo
Sensor Ativo
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Absorção / Transmissão Atmosférica da E. E. M.
A ABSORÇÃO ATMOSFÉRICA reduz a energia disponível em
determinados comprimentos de onda devido a não transparência de
alguns dos seus componentes nesses comprimentos de onda.
onda
ATMOSFERA: Filtro seletivo de comprimentos de onda
ABSORVENTES: Vapor de água, CO2, O, O2 y O3
Bandas de Absorção Seletiva / Janelas Atmosféricas
Sensoriamento Remoto = f (Transmissão ↔ Absorção)
(Pinilla, 1995)
Zonas de atuação do Sensoriamento Remoto
(Domínios)
• Ótico
Ó
(VIS+IVp)
• IV Térmico
• Microondas
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Dispersão Atmosférica ou Scattering (Domínio Ótico)
A DISPERÇÃO ATMOSFÉRICA é consequência da interação entre a
energia eletromagnética e os aerosóis da atmosfera.
atmosfera
• Muda a direção do fluxo eletromagnético.
• Provoca uma diminuição do contraste da imagem:
• Desvio dos raios procedentes da superfície.
superfície
• Soma das radiações procedentes de outras zonas da superfície
terrestre e da própria atmosfera.
• Importante nas bandas IV, VIS e UV; quase nula nas MO.
TIPOS DE DISPERSÃO
• Não Seletiva (Afeta a todos os λ)
As partículas dispersantes são
maiores que o λ da radiação.
• Seletiva
As partículas dispersantes são
menores ou iguais ao λ da
Dispersão Rayleigh em função do λ
(Pinilla, 1995)
radiação
radiação.
• Dispersão Rayleigh (menor)
• Dispersão Mie ( Igual )
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Natureza do Objeto (Domínio Ótico)
DISTRIBUIÇÃO DA ENERGIA
Φi = Φ r + Φ a + Φt
1 = Φ r + Φ a + Φt
Φi
(Pinilla 1995)
(Pinilla,
Φi
Φi
ρ + α +τ = 1
Distribuição do fluxo de energia
A porção de energia refletida por uma
superfície depende da:
• Rugosidade da superfície
reflectante respeito ao
comprimento de onda incidente,
incidente
• Índice complexo de refração do
material,
• Ângulo de incidência da radiação.
(Pinilla, 1995)
Formas de reflexión
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)
Natureza do Objeto (Domínio Ótico)
EMISSIVIDADE / ASSINATURA ESPECTRAL
Os objetos reais não
ã se comportam como “corpos negros”. A relação
ã entre a
capacidade radiante de um objeto e a do corpo negro se denomina Emissividade
Espectral:
Segundo a sua Emissividade, os objetos podem ser:
• ελ=ε=1 ⇒ Radiador Perfeito (Corpo negro)
λ ,o
• 0< ελ<1; ελ=Constante ⇒ Corpo cinza
λ
• ελ=ε=0 ⇒ Refletor Perfeito
λ ,cn
• ελ=f(λ) ⇒ Radiador Seletivo
M
ε =
M
0
Emiss
sividade
1
ρ + α +τ = 1
Corpo negro
ρλ + α λ + τ λ = 1
(Chuvieco 1995)
(Chuvieco,
Corpo cinza
Radiador
Seletivo
Refletor Perfeito
Comp. de onda
Assinatura Espectral
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Sistemas de S. R. na Região das Microondas
1mm<λ<3m
Informação distinta e complementar a
informação obtida no ótico.
Permeabilidade a cobertura de nuvens.
(Henderson & Lewis, 1998)
SISTEMAS:
•PASSIVOS.
PASSIVOS
• Detectam pequenas quantidades de radiação na
região das microondas.
• Radiômetros de microondas.
•ATIVOS.
• Emitem seu próprio feixe de energia e captam o
eco do sinal retro-dispersado.
Independentes da iluminação externa
•Independentes
• Sensores “qualquer-tempo” (Meteorológico – Horário)
• RADAR (RAdio Detection And Ranging)
• Aplicações primárias:
•Áreas
Áreas tropicais com cobertura de nuvens quase
permanente.
• Zonas polares com poucas horas de iluminação.
• Instrumentos:
• RAR (Real Aperture Radar)
• SAR (Synthetic Apeture Radar)
15
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RADAR – SAR (Microondas)
Equação fundamental
Pr = Potência retro-dispersada
p
Pt = Potência transmitida
2
2
P
t ⋅ G ⋅ λ ⋅σ
Pr =
(4π )3 ⋅ r 4
G = Fator de ganho da antena (visão lateral)
r = Distancia entre o sensor e o alvo
σ = Seção
S ã eficaz
fi
d
de retro-dispersão
t
di
ã
σ ⇒σ0
DISPERSÃO
à RADAR POR UNIDAD DE
SUPERFÍCIE (σ0), ou COEFICIENTE DE
RETRO-DISPERSÃO RADAR.
• Rugosidade do material.
material [R=f(λ)]
• Condutividade elétrica. ⇒ Umidade
• Condições do terreno
• Declividade
• Orientação
ã
ABERTURA SINTÉTICA
• A resolução espacial está
relacionada com o tamanho da
antena. Um maior tamanho, melhor
resolução.
ç
• Para altas resoluções (10-30m) se
necessitam antenas enormes, não
funcionais.
• Os sistemas SAR registram
g
os
pulsos de um mesmo ponto da
superfície em duas posições
diferentes da trajetória; a
resolução equivale a que se obteria
com uma antena de comprimento
equivalente a distancia entre
ambas posições.
16
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RADAR – SAR (Microondas)
SISTEMA RADAR - SAR
„
PARÂMETROS DO SISTEMA
„
„
„
„
GEOMETRIA DA OBSERVAÇÃO
(Henderson & Lewis, 1998)
„
Esquema do sistema radar
Banda (λ
(λ )
Ângulo de iluminação
Polarização (HH
(HH--HVHV-VV)
Deformação do relevo pela visão
lateral
„
(Henderson & Lewis, 1998)
„
„
„
„
NATUREZA DA RADIAÇÃO
„
Layover e sombra radar
Diferente resolução na distância e
azimute
Layover
Foreshortening
Sombra radar
Salpicado ou Speckle