Seminário - Sensoriamento remoto aplicações na limnologia (AGORA É ESSE)

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Sensoriamento remoto:
Aplicações na Limnologia
Bárbara Rani Borges
Gustavo Laranjeira de Melo Santos
Ivan Edward Biamont Rojas
Thaís Fabiane Gomes Martins
Limnologia
Estudo das águas continentais e os efeitos das modificações antropogênicas nos ambientes aquáticos alterando o funcionamento dos mesmos;
O estudo limnológico abrange lagos de águas doces, salinas, rios, estuários, represas, áreas alagadas e pântanos;
Interações Químicas, Físicas e Biológicas.
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Importância da Limnologia
Níveis de qualidade de água → Segurança;
Viabilizar o uso racional da água;
Manejo e a maximização da sua produtividade.
Ecossistemas aquáticos 
Estrutura e funcionamento
Recuperação de ecossistemas degradados
Pesquisa
Conservação
Conhecimento
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viabilizam sua utilização racional 
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Principais contaminantes da água:
Pesticidas e herbicidas;
Sulfuretos, cianeto, dioxinas;
Contaminantes biológicos: bactérias, vírus e parasitas;
Metais (mercúrio, chumbo, cádmio, arsênico, bário, cobre, cromo e zinco);
Matéria orgânica;
Compostos sintéticos resistentes (por exemplo plástico)
Outros.
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Monitoramento da qualidade das águas, principalmente, em áreas de abastecimento, faz-se necessário uma vez que existe o potencial risco a saúde humana.
Técnicas:
Amostragem de água;
Sensores móveis (ex. sistema e-NOE);
Sensoriamento remoto.
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Aplicação de sensoriamento remoto na Limnologia
Verificar a variação espacial e temporal da composição da água, possibilitando investigar a origem e o deslocamento de substâncias específicas em suspensão ou dissolvidas na água;
Sedimentos em suspensão, pigmentos fotossintetizantes, matéria orgânica dissolvida e as moléculas de água em si.
 As utilizações dos produtos gerados a partir do sensoriamento remoto podem fornecer
uma visão sinótica do ecossistema, adquirindo informações multitemporais em escala local.
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A utilização de técnicas de sensoriamento remoto auxiliam no acompanhamento da dinâmica das florações e de demais constituintes opticamente ativos, como os sólidos em suspensão.
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O que é Sensoriamento Remoto
Sensoriamento
Remoto
Obtenção de dados
Distante
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É a tecnologia que permite a obtenção de imagens e outros tipos de dados da superfície terrestre
É feita a distância, através da captação e do registro da energia refletida ou emitida pela superfície
Satélites, câmeras, telescópios e até nossos olhos são ferramentas utilizadas para analisar objetos à distância. 
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Breve Histórico
A origem do SR vincula-se ao surgimento da fotografia aérea;
As fotografias foram os primeiros produtos do SR;
Pouco depois câmaras começaram a ser montadas em balões de ar quente;
Tal técnica foi usada durante a Guerra Civil dos EUA (1862) para reconhecimento do território.
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Princípios do SR
Em geral, o SR baseia-se na coleta e na análise da radiação emitida pela FONTE DE ENERGIA e refletida pela superfície terrestre;
Fontes de Energia em SR
Artificiais:
	Flash de uma máquina fotográfica, sinal produzido por um radar, etc.
Naturais:
	Luz do sol e o calor emitido pela superfície da terra
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Recepção, Armazenamento e Distribuição dos Dados
Os dados obtidos pelos sensores são em geral transmitidos diretamente para uma estação receptora;
No Brasil, as estações de recepção de dados de satélites de alta resolução são operadas pelo INPE e localizam-se em Cuiabá, MT.
Estação Terrena de Rastreio e Comando de Satélite em Cuiabá, estado do Mato Grosso, Brasil. 
Essas antenas são de grande diâmetro e com capacidade de rastreio.
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Como um satélite fica em órbita?
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	O segredo para que esses objetos permaneçam no espaço, girando ao redor da Terra, é o “empurrão” dado pelos foguetes que colocam os satélites em órbita. 
Depois de subir ao espaço, um propulsor acelera o satélite a uma velocidade que não seja tão pequena para que ele caia na Terra nem tão grande para que ele escape da gravidade do planeta. 
Por que os satélites não caem na Terra?
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Para explicar o movimento da Lua em volta da Terra, Isaac Newton usou o seguinte exemplo: 
Imagine um canhão muito forte disparando projéteis na vertical, do alto de uma montanha. Sabemos que os projéteis irão atingir o solo após percorrerem uma certa distância, e quanto maior for a velocidade inicial do projétil, maior será a distância atingida. 
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A figura abaixo mostra três projéteis lançados pelo canhão: no tiro A o projétil possui uma certa velocidade inicial; já no tiro B a velocidade inicial é maior. Tente imaginar então o que aconteceria se a velocidade inicial do projétil fosse ainda maior que a do tiro B.
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Newton imaginou que, se um projétil fosse atirado com uma velocidade inicial muito grande, ele iria dar uma volta na Terra antes de atingir o solo, como é mostrado no tiro C. Se isso acontecesse em um local onde não houvesse nenhum tipo de resistência ao movimento, como por exemplo, em um local sem resistência do ar, o projétil não pararia nunca, devido à Lei da Inércia, ou seja, ficaria dando voltas pela Terra eternamente.
Sensores e Satélites
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Usos do Sensoriamento Remoto 
Acompanhamento do uso agrícola das terras;
Apoio ao monitoramento de áreas de preservação;
Atividades energético-mineradoras;
Cartografia e atualização de mapas;
Desmatamentos;
Detecção de invasões em áreas indígenas;
Dinâmica de urbanização;
Estimativas de fitomassa;
Monitoramento da cobertura vegetal;
Queimadas, secas e inundações;
Sedimentos em suspensão nos rios e estuários;
“Bloom” de algas;
etc.
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Fonte: Divisão de Geração de Imagens do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - DGI INPE
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LANDSAT - Land Remote Sensing Satellite
Início na segunda metade da década de 60, a partir de um projeto desenvolvido pela Agência Espacial Americana e dedicado exclusivamente à observação dos recursos naturais terrestres;
Atualmente gerenciado pela National Aeronautics and Space Administration (NASA), em colaboração de várias agências federais dos Estados Unidos;
Lançamento de oito satélites, sendo o primeiro deles denominado Earth Resources Tecnology Satellite 1 (ERTS-1), lançado em 1972 e em 1975 passou a se chamar Landsat.
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Foi o primeiro satélite de sensoriamento remoto no mundo e levou dois instrumentos a bordo, as câmeras RBV e MSS. Operou por um período de cinco anos adquirindo mais de 300.000 imagens, com repetidas coberturas da superfície da Terra.
Os lançamentos de Landsat 2, Landsat 3 e Landsat 4 seguido em 1975, 1978 e 1982, respectivamente. Quando Landsat 5 lançado em 1984, ninguém poderia ter previsto que o satélite continuará a fornecer dados globais de alta qualidade da terra de 28 anos e 10 meses. O Landsat 6 não conseguiu alcançar a órbita em 1993; o Landsat 7 foi lançado com sucesso em 1999 e continua a fornecer dados globais. Landsat 8, lançado em 2013, continua a missão, e Landsat 9 é provisoriamente planejado para lançamento em 2020. 
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 Características e Aplicações das Bandas Espectrais
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	Banda	Intervalo do comprimento de onda	Resposta Espectral	Resolução Espacial	Aplicações
	1	0,45-0,52 µm	Azul	30 m	Estudos de águas costeiras, discriminação solo/vegetação, identificação de objetos artificiais.
	2	0,52-0,60 µm	Verde	30 m	Discriminação davegetação saudável/não saudável, identificação de objetos artificiais. Boa penetração em corpos de água.
	3	0,63-0,69 µm	Vermelho	30 m	Identificação de espécies vegetais, identificação de objetos artificiais.
	4	0,76-0,90 µm	Infravermelho Próximo	30 m	Monitoramento da umidade do solo, monitoramento de formações vegetais, identificação de corpos d’água.
	5	1,55-1,75 µm	Infravermelho Médio	30 m	Monitoramento do conteúdo da umidade na vegetação.
	6	10,40-12,50 µm	Infravermelho Termal	120 m 60 m (L7)	Temperatura superficial, monitoramento de stress na vegetação, diferenciação de nuvens, monitoramento vulcânico.
	7	2,08-2,35 µm	Infravermelho Médio	30 m	Discriminação de minerais e rochas, conteúdo de umidade na vegetação.
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Características específicas das 7 bandas espectrais comuns aos sensores dos satélites Landsat 4, 5 e 7.
Os landsat 5 e 7 revisitam a mesma área a cada 16 dias
Resolução espectral: é definida pelo número de bandas espectrais de um sensor e pela largura do intervalo do intervalo de comprimento de onda coberto por cada banda
A informação é obtida através da imagem na banda do infravermelho termal do satélite GOES sendo aplicada uma tabela de cores que realça o intervalo de temperatura entre -70 ºC e -15 ºC
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Melhoria na Resolução das Imagens do Landsat
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Figura: Recorte da imagem do Landsat-7 no dia 23/08/2002 - região do Amazonas
Figura: Recorte da imagem do Landsat-8 no dia 23/08/2014 - região do Amazonas
Novos sensores: Operational Land Imager (OLI) e Thermal Infrared Sensor (TIRS);
OLI: nove bandas multiespectrais com resolução espacial de 30 metros (bandas de 1 a 7 e 9); sendo:
- a banda 8 pancromática;
- a banda 1 (ultra-azul) é projetada especificamente para os recursos hídricos e análise de áreas costeiras;
TIRS: faixas térmicas úteis no fornecimento de temperaturas de superfície mais precisas e os dados são coletados no pixel de 100 m;
Período de revisita: 16 dias para realizar outra passagem pela mesma região.
Sensor ETM+: consiste em oito bandas espectrais que podem ser combinadas de diferentes maneiras;
Ampliou a resolução espacial da banda 6 (Infravermelho Termal) para 60 metros;
Adição de uma banda pancromática com resolução de 15 metros (banda 8).
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Copernicus “Sentinel” 
Parte do programa Copernicus, o Programa de Observação da Terra, foi desenvolvido pela Agência Espacial Europeia (ESA);
Observação e monitorização do ambiente e da segurança, fornecendo dados de observação da Terra;
As informações recolhidas pelo Copernicus trará uma melhora significativa a segurança marítima, o acompanhamento das alterações climáticas e a assistência em situações de emergência;
As imagens geradas pelo Copernicus serão disponibilizadas gratuitamente para governos, organizações ambientais, instituições e empresas;
Sete satélites Sentinel estão em órbita até o momento.
Fonte da imagem: European Space Agency. https://www.esa.int/spaceinimages/Images/2014/04/Sentinel_family
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Observações permanentes dos subsistemas da Terra, da atmosfera, dos oceanos e das superfícies continentais; leva 6 dias para contornar a Terra (VERIFICAR ESSA INFO COM O IVAN)
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Sentinel-1
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Sentinel-1
Sentinel-2
Sentinel-3
Sentinel-4
Sentinel-5P
Sentinel-5
Sentinel-6
2014
Duas constelações sentinels, 1-A e 1-B, que entrou em órbita em 2016. Monitora o Ártico e a superfície da Terra.
2015
Possui duas constelações sentinels, 2-A e 2-B, que entrou em órbita em 2017. Monitora a cobertura vegetação, solo e água, vias navegáveis e áreas costeiras.
2016
O Sentinel-3A foi lançado em 2016 e o 3B, em 2018. Apoia os sistemas de previsão oceânica, bem como o monitoramento ambiental e climático.
2017
Precursor do Sentinel-5 para fornecer dados oportunos sobre uma infinidade de gases que afetam a qualidade do ar e o clima.
2019
Irá medir a altura global da superfície do mar, contribuindo para estudos oceanográficos e climáticos. O Sentinel-6A tem previsão de ser lançado ainda este ano e o 6B, em 2025.
2020
Dedicado ao monitoramento atmosférico e será embarcado em um satélite Meteosat terceira geração (MTG-S). O Sentinel-4A tem previsão de ser lançado em 2020 e o 4B em 2027.
2021
Irá monitorar a atmosfera da órbita polar a bordo de um satélite MetOp (Programa de Satélites Operacionais Meteorológicos) segunda geração. 
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Sentinel-1 – A missão Sentinel-1 tem como objetivo:
Possuem tempo de vida de 7 anos (com recursos para 12 anos);
Órbita sincronizada com o sol, quase-polar e circular;
Ambos os satélites partilham a mesma órbita plana com uma diferença de fase de 180°;
Cada satélite tem um ciclo de 12 dias e 175 órbitas por ciclo;
Em constelação, o tempo de revisita dos sentinels é de 6 dias;
Captura imagens tanto de dia quanto de noite, em qualquer condição atmosférica.
Fonte: https://sentinel.esa.int/web/sentinel/missions/sentinel-1/satellite-description/orbit
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Sentinel-2: imagens detalhadas
A cada 5 dias as duas constelações que compõem o Sentinel-2 cobrem toda a superfície da Terra;
A cada sobrevoo eles captam uma faixa de até 290 quilômetros de largura usando câmeras de alta resolução com 13 bandas espectrais;
São capazes de captar muito mais cores e comprimentos de onda do que o olho humano;
Reconhecem até mesmo a quantidade de clorofila e de água em uma folha.
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Sentinel-1 
A missão Sentinel-1 (A e B): 
Possuem tempo de vida de 7 anos (com recursos para 12 anos);
Órbita sincronizada com o sol, quase-polar e circular;
Ambos os satélites partilham a mesma órbita plana com uma diferença de fase de 180°;
Cada satélite tem um ciclo de 12 dias e 175 órbitas por ciclo;
Em constelação, o tempo de revisita dos sentinel é de 6 dias;
Trabalham na região das microondas, designados RADAR (“Radio Detection And Ranging”) apenas em tons cinza;
Sensor ativo que compreende a banda C (30 cm de comprimento de onda);
Captura imagens tanto de dia quanto de noite, em qualquer condição atmosférica.
Fonte: https://sentinel.esa.int/web/sentinel/missions/sentinel-1/satellite-description/orbit
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Entre as características do Sentinel-1 figura a capacidade de geração de imagens na Banda C, que permite quatro modos de operação com distintas resoluções de até 5 metros e coberturas de até 400 quilômetros de largura. O satélite oferece também polarização dual, períodos de revisita bastante curtos e rápido processamento de dados. Para cada observação realizada, o sistema disponibiliza medições precisas do posicionamento e atitude do veículo espacial.
O satélite Sentinel-1A opera em quatro modos de imagem com diferentes resoluções (até 5 m) e cobertura (podendo atingir 250 km), que permitirão uma monitorização fiável e repetida de uma vasta área. Foi concebido para funcionar num modo pré-programado, recolhendo imagens de alta resolução de todas as massas continentais, zonas costeiras e vias marítimas, abrangendo todos os oceanos. Desta forma, garante a fiabilidade do serviço exigida pelos serviços operacionais e a constituição de arquivos de dados coerentes e duradouros para as aplicações baseadas em séries cronológicas longas.
Uma maneira simples de interpretação de imagens de radar é a premissa de que alvos mais planos (como corpos d’água e estradas) refletem uma menor quantidade das micro-ondas emitidas de volta para a sensor do satélite, resultando em tons mais escuros. O mesmo ocorre em áreas de sombra (por exemplo, encostas de morros e estruturas construídas que possuam orientação contrária às micro-ondas emitidas) que dessa forma não são “iluminadas” pelo radar. Por outro lado, quanto maior a verticalidade ou rugosidade do alvo, como em edificações e vegetação, maior é a intensidade de retorno das micro-ondas de volta ao sensor do satélite, tornando os pixeis mais claros. O mesmo ocorre com estruturas metálicas, como é ocaso dos aerogeradores. 
Sensor ativo que compreende a banda C (30 cm de comprimento de onda). Cada cena é formada por uma composição de três observações sobre o solo. A junção das três cenas produz uma imagem de 250 km, com resolução no terreno de 5 x 20 metros;
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Sentinel-2
Os dados dos satélite Sentinel-2 são complementares às missões já existentes, incluindo LANDSAT (Estados Unidos) e SPOT (França);
Órbita heliossíncrona;
A cada 5 dias, as duas constelações que compõem o Sentinel-2 cobrem toda a superfície da Terra;
A cada sobrevoo, eles captam uma faixa de até 290 km de largura usando câmeras de alta resolução com 13 bandas espectrais;
São capazes de captar muito mais cores e comprimentos de onda do que o olho humano;
Capturam imagens da Terra e dos oceanos apenas durante o dia;
Reconhecem até mesmo a quantidade de clorofila e de água em uma folha.
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As órbitas heliossíncronas são usadas para assegurar que o ângulo da luz solar sobre a superfície da terra é consistentemente mantido. Além das pequenas variações sazonais, a ancoragem da órbita dos satélites ao ângulo do sol, minimiza o impacto potencial de sombras e níveis de iluminação no solo. Isso garante consistência ao longo do tempo e é crítico na avaliação de dados de séries temporais;
A constelação consistirá de dois satélites idênticos de órbita polar que, uma vez concluídos, funcionarão em lados opostos da mesma órbita Sol-síncrona (inclinação 98,5 °), 180 ° à parte (Figura 2). Esta configuração optimiz a cobertura e os tempos de revisita global.
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Sentinel-3
Observação do oceano e zonas costeiras;
Sensor de cor no visível e no infravermelho –, OLCI (Ocean and Land Instrument Colour, Sensor de Cor para Oceano e Continentes);
Está capacitado para observar e quantificar as comunidades vegetais terrestres e o fitoplâncton
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Fonte: https://www.eumetsat.int/website/home/News/DAT_3532805.html
fitoplâncton oceânico (microalgas da coluna de água), através do registo da concentração em clorofila;
Cobertura global a cada dois dias.
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Estudo de caso:
Guarapiranga e Complexo Billings
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Disco Secchi
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Clorofila a
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Referências
DI MAIO, Angélica. et al. Sensoriamento Remoto: Programa Agência Espacial Brasileira (AEB). Disponível em: http://www.aeb.gov.br/wp-content/uploads/2018/05/sensoriamento_manual.pdf. Acesso em: 07 mai. 2019.
European Space Agency. Disponível em: http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Copernicus/Overview4. Acesso em: 07 mai. 2019.
Pompêo M., et al. Protocolo de instalação e uso para trabalhar as imagens na avaliação da qualidade da água de reservatórios. Disponível em: http://ecologia.ib.usp.br/sensoriamento/. Acesso em: 10 mai. 2019
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