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CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 1 Aula 06 Conteúdo: INTERPRETAÇÃO DE IMAGENS DIGITAIS APRESENTANDO A AULA Caro aluno, nesta sexta aula, abordaremos a interpretação das imagens digitais obtidas através dos sensores remotos orbitais. Examinaremos os elementos de interpretação contidos nas próprias imagens e as técnicas que podemos utilizar para realizarmos essa atividade, com ênfase na área ambiental. Boa aula! DEFININDO OBJETIVOS Ao final dessa aula, você deverá ser capaz de: • reconhecer os elementos de interpretação existentes nas imagens digitais; • utilizar técnicas de interpretação das imagens digitais; • compreender as diferenças existentes entre as técnicas utilizadas para identificar feições em fotografias aéreas e imagens de satélite. CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 2 DESENVOLVENDO O CONTEÚDO Elementos de interpretação nas imagens digitais As imagens digitais são constituídas por um arranjo de elementos discretos em formato de uma matriz. Cada elemento discreto (figura 1) é chamado de pixel, abreviatura de picture element; apresenta uma localização em um sistema de coordenadas do tipo coluna (x) e linha (y) e possui um atributo numérico (z) que indica o nível de cinza e corresponde à radiação refletida ou emitida pelos alvos e registrada pelo sensor. Figura 1 – Representação matricial em imagem de satélite, onde cada pixel possui um valor de nível de cinza. As imagens digitais dos alvos da superfície terrestre, ao serem registradas pelos sensores remotos orbitais, são transmitidas para as estações receptoras, onde são transformadas em produtos analógicos e digitais. CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 3 Os produtos analógicos têm semelhança com as fotografias aéreas verticais, mas são compostos por uma matriz de números digitais. Esses números são relacionados à quantidade de reflectância ou emitância da superfície. Os produtos analógicos são interpretados de forma visual, em processo semelhante ao das fotografias aéreas, conforme abordamos em nossa quinta aula. De acordo com a nossa quinta aula, para executarmos a fotointerpretação das imagens analógicas, devemos nos basear em critérios como forma, padrão, tonalidade/cor, textura, sombras etc. A discussão a seguir ilustra alguns dos elementos que utilizamos para fundamentar a fotointerpretação tanto em fotografias aéreas quanto em imagens analógicas. A Forma (figura 2) refere-se aos contornos que as feições assumem nas imagens ou fotografias aéreas e pode ser utilizada para descrever a natureza dos objetos. Figura 2 – Formas de rios, estradas e campos agrícolas registrados CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 4 em imagem de satélite e fotografia aérea. O Tamanho (figura 3) está sempre relacionado com a escala da imagem e refere-se às dimensões dos objetos registrados. A escala descreve como as distâncias na imagem estão relacionadas às distâncias na superfície terrestre. Objetos que parecem pequenos na imagem podem ser bem maiores se as áreas ocupadas por ele na superfície forem grandes. Figura 3 – Tamanho de objetos diversos representados em escalas variáveis nas fotografias e imagens. O Padrão (figura 4) corresponde ao arranjo dos objetos que são representados nas imagens. Figura 4 – Ruas e casas apresentam padrão regular e distinto de CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 5 outras feições representadas na imagem. A Tonalidade (figura 5) corresponde ao brilho de uma feição em imagens ou fotografias. Os tons de cinza são importantes para discriminar muitas feições entre si. O uso da cor, no entanto melhora muito nossa capacidade de discriminar os objetos nas imagens porque as cores cobrem uma amplitude muito maior de tonalidades. Figura 5 – Feições da superfície identificadas devido a variações de tonalidade e cor em imagens de satélite. A Textura (figura 6) refere-se ao aspecto rugoso ou liso apresentado pelo objeto representado na imagem. Pastagens e florestas apesar de apresentarem mesma tonalidade exibem texturas diferentes. As florestas exibem maior proporção de áreas com sombras e diretamente iluminadas, uma vez que são formadas por árvores de tamanhos diferentes, o que confere maior variação de brilho. CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 6 Figura 6 – Variações da textura em vegetação. As Sombras (figura 7) podem fornecer informações valiosas para o fotointérprete sobre a forma dos objetos e sobre a distância relativa entre eles, apesar de poder ocultar outros objetos que estejam encobertos. Figura 7 – Sombras de árvores em imagem de satélite. Moreira (2003) afirma que, além desses elementos, devemos usar outras características relacionadas aos dados, aos processos de interação entre a energia eletromagnética e os objetos de estudo, bem como fatores relacionados ao próprio fotointérprete. Isso é o que abordaremos a seguir. Antes, realize as atividades de fixação do que acabamos de estudar. CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 7 Atividade 1 Identifique na imagem (figura 8) as seguintes características/objetos e explique com base nos elementos de interpretação visual descritos: • áreas residenciais • barragem • estradas • pista de corrida • pontes • rio Figura 8 – Imagem de satélite para prática da Atividade 1. Técnicas de interpretação visual das imagens digitais Vamos avançar nas técnicas de interpretação visual de imagens de satélite. Parte do que abordaremos tem como base e também complementa a nossa quinta aula sobre fotografias aéreas. CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 8 Você lembra que durante a nossa terceira aula conhecemos diferentes sensores remotos, as características dos alvos e os produtos obtidos nas imagens desses sensores? Podemos resumir, na figura 9, os processos estudados nesse sentido. Figura 9 – Gráfico resumo para a reflectância padrão do solo, da água e da vegetação em diferentes regiões do espectro eletromagnético. Ilustramos os sensores SPOT-5 e LANDSAT-7 com suas bandas de registro da reflectância e aplicações para alguns alvos naturais. Podemos aplicar os conceitos vistos até agora através de algumas imagens dos satélites LANDSAT-5 e LANDSAT-7 ilustradas nas figuras 10 em diante. CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 9 Analisando a figura 10, podemos ver que os solos são claros e a água e a vegetação são escuras. Isso está de acordo com a figura 9 para a banda 2 do satélite. Figura 10 – Alvos na banda 2 do satélite LANDSAT-5. A mesma área, na figura 11, possui água em tonalidade mais escura e vegetação em tonalidade mais clara. Isso ocorre porque a vegetação reflete muito nessa região do espectro eletromagnético. Veja a figura 9. Figura 11 – Alvos na banda 4 do satélite LANDSAT-5. Ainda a mesma área, na figura 12, refere-se ao infravermelho médio. A água continua muito escura, CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 10 porém as áreas mais claras correspondem a solos bem drenados. A vegetação fica mais escura nacena. Os solos aparecem claros, porque refletem mais do que os outros alvos nessa banda. Figura 12 - Alvos na banda 5 do satélite LANDSAT-5. Outra maneira de analisarmos visualmente as imagens de satélite é através da combinação de bandas individuais das imagens em composições coloridas que realça as feições do terreno através das cores. As composições coloridas podem ser obtidas com imagens na faixa visível e infravermelha do espectro eletromagnético, ampliando a capacidade de visualização dos nossos olhos. A seleção de bandas depende de quais feições serão analisadas visualmente. Na figura 13, combinamos três bandas de dados em uma composição colorida, que contém mais informações sobre as feições terrestres do que uma única imagem de uma única banda. Essa composição torna o trabalho de interpretação mais fácil, porque os nossos olhos estão mais aptos a distinguir cores do que tonalidades de cinza. CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 11 Figura 13 – Composição colorida em fotografia aérea. Vegetação representada em vermelho, água em azul e solos em tons de azul ou de verde. A figura 14 ilustra em composição colorida de vermelho (R), verde (G) e azul (B), a área representada nas figuras 10 a 12, para as bandas 4, 5 e 3 do satélite LANDSAT-5. Nessa área, a vegetação reflete no infravermelho próximo, representada em vermelho; o solo aparece azulado devido à alta reflexão no infravermelho médio e a água fica escura, pois absorve ou transmite muito ou toda radiação incidente, especialmente a radiação no infravermelho. As demais áreas da figura 14, representadas em tons de lilás, correspondem à alta reflexão da vegetação e dos solos. Nessas áreas, o lilás corresponde à combinação do vermelho que representa a vegetação esparsa com o azul que representa os solos expostos. Interessante não? CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 12 Figura 14 – Composição colorida RGB em imagem LANDSAT-5 para as bandas 4, 5 e 3, respectivamente. Explicações no texto. Atividade 2 2.1 Qual a importância dos elementos de interpretação de imagens durante a análise visual de fotografias aéreas e imagens de satélite? Que tal discutir a sua resposta em um bate papo on line com seus colegas? 2.2 Por que é mais interessante analisarmos imagens em composições de bandas do que através de imagens individuais? Técnicas de Análise Digital de Imagens A radiação eletromagnética emitida pelo sol é refletida pelo planeta e é coletada pelo sensor remoto a CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 13 bordo do satélite, que também pode ser capaz de coletar a radiação emitida pela superfície. A radiação captada é convertida em números digitais (ND), em função da intensidade desta reflexão (brilho). Quanto maior for o brilho, mais alto será o valor digital registrado pelo sensor. Para o sensor Landsat TM (Tematic Mapper), os NDs (Números Digitais) estão compreendidos entre 0 e 255. Com este sensor, a radiação refletida em cada pixel é distribuída entre 0 e 255 (figura 15). Um pixel com ND = 241 representa uma reflectância ou emitância muito alta, enquanto um pixel com ND = 12 representa uma reflectância ou emitância muito baixa. Figura 15 – Distribuição de NDs em imagens Landsat. As informações sobre os alvos são associadas aos NDs que são analisados em computadores, utilizando-se programas de processamento digital de imagens. CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 14 As imagens digitais são produzidas pelos programas que associam um valor de cinza a cada ND em cada pixel. Valores altos de ND receberão tons claros enquanto valores baixos receberão tons escuros, como mostrado na figura 15. A análise digital envolve o exame dos padrões de reflectância ou emitância das feições presentes na imagem. Esses padrões são denominados resposta espectral, conforme ilustrado na figura 16. Figura 16 - Padrões de reflectância de feições da superfície registradas em imagem de satélite e interpretadas em programas de processamento digital. A interpretação de dados de sensoriamento remoto, através do uso de computadores, requer o conhecimento dos padrões da radiação refletida ou emitida pelas várias feições da superfície terrestre. Conforme ilustrado na figura 16, diferentes feições apresentam diferentes padrões de reflectância ou emitância. A interpretação de imagens digitais utilizando computador é chamada de Classificação, a qual é CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 15 dividida em Classificação Supervisionada e Classificação Não Supervisionada. • Classificação Supervisionada: são criadas classes a partir de amostras coletadas para cada classe e definidas pelo operador do computador. • Classificação Não Supervisionada: o computador cria, automaticamente, um número máximo de classes, que pode ser definido pelo operador. As áreas amostrais são conhecidas como áreas de treinamento (figura 17). São usadas para “treinar” o computador a encontrar outras áreas que apresentam padrões semelhantes de reflexão da radiação incidente na imagem em estudo. Figura 17 – Amostras selecionadas em um lago, em uma floresta e em solos, coletadas sobre uma composição colorida de imagem de satélite. É importante, contudo utilizarmos dados de campo, fotografias aéreas, mapas, levantamentos de solos e CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 16 outras fontes de informação para auxiliar na seleção das amostras de treinamento. A partir da definição das amostras, um programa de computador, capaz de processar imagens, poderá utilizar os valores de ND coletados (figura 18) para classificar outros padrões espectrais semelhantes no restante da imagem. Figura 18 – Amostras escolhidas na imagem e curvas de reflectância ilustradas em computador. A imagem classificada (figura 19) é semelhante à composição colorida original, entretanto, é diferente, porque todos os pixels são identificados e classificados em número específico de classes. CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 17 Figura 19 – Imagem classificada pelo computador. Atividade 3 3.1 Fazemos composições coloridas sempre com três imagens utilizando um computador com monitor colorido. Por quê? Explique a sua resposta em termos de espaço de cores RGB. 3.2 Por que é importante utilizarmos dados de campo, mapas e fotografias aéreas em apoio às áreas de treinamento para classificação digital de imagens? CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 18 RESUMINDO Nesta aula, aprendemos algumas técnicas utilizadas para analisarmos produtos de sensoriamento remoto, como imagens de satélite e fotografias aéreas, com ênfase em levantamentos ambientais. Vimos que em produtos analógicos podemos fazer a sua digitalização para realizarmos análise visual ou utilizamos equipamentos como os estereoscópios, se as imagens forem fotografias aéreas verticais. A classificação digital é feita utilizando computador com programas de processamento digital de imagens, onde são utilizadas classificação supervisionada e não supervisionada. BUSCANDO LEITURAS COMPLEMENTARES Para saber mais sobre os temas apresentados nessa aula, existem várias fontesde consulta como livros de sensoriamento remoto e sítios na internet. Procure ler: • MOREIRA, Maurício Alves. Fundamentos do sensoriamento remoto e metodologias de aplicação. 2ª. Edição. Revista e ampliada. Editora UFV. 2003. 307p. Este livro trata de maneira objetiva do sensoriamento remoto e da interação da radiação solar com o solo, a vegetação, a água e outros recursos CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 19 terrestres. O autor dá uma visão muito clara dos princípios do funcionamento dos principais sensores e das diferenças entre eles, além de enfocar muito bem a metodologia de tratamento de dados coletados por meio do sensoriamento remoto, principalmente dados de sensores orbitais e o geoprocessamento. AVALIANDO OS CONHECIMENTOS Agora que você concluiu o estudo da nossa sexta aula, faça as atividades propostas para avaliar e fixar o seu conhecimento: 1) Compare a classificação de imagens digitais com a interpretação visual de imagens em termos de entrada e saída de dados do operador/fotointérprete. 2) Quais seriam as situações típicas em que devemos aplicar a classificação de imagens digitais? 3) Outra maneira de expressarmos a classificação de imagens digitais é “particionar o espaço dos objetos”. Qual seria o significado dessa sentença? 4) Qual é o princípio da classificação das imagens? 5) Qual seria o produto de sensoriamento remoto utilizado para analisarmos áreas com possibilidade de desmatamento na caatinga potiguar? Explique a sua escolha. CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL NA MODALIDADE DE ENSINO A DISTÂNCIA Aula 06: Softwares Gráficos 20 Na próxima aula, abordaremos os Sistemas de Informação Geográfica. Até a próxima aula! CONHECENDO AS REFERÊNCIAS MOREIRA, Maurício Alves. Fundamentos do sensoriamento remoto e metodologias de aplicação. 2ª. Edição. Revista e ampliada. Editora UFV. 2003. 307p. http://www.agro.unitau.br/sensor_remoto/. Acesso em 16.11.2007. http://www.sorocaba.unesp.br/. Acesso em 16.11.2007. IMAGENS http://ccrs.nrcan.gc.ca/resource/tutor/fundam/index_e.php http://www.agro.unitau.br/sensor_remoto/aposbsr.pdf
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