Sensoriamento remoto

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8. SENSORIAMENTO REMOTO: FUNDAMENTOS, SISTEMAS SENSORES/PLATAFORMAS E PROGRAMAS ESPACIAIS
1. SENSORIAMENTO REMOTO (SR):
Uma técnica de obtenção de imagens dos objetos da superfície terrestre sem que haja um contato físico de qualquer espécie entre o sensor e o objeto.
2. QUATRO ELEMENTOS FUNDAMENTAIS DO SENSORIAMENTO REMOTO:
A radiação eletromagnética (REM) encontra-se no centro da pirâmide devido ao fato de ser um elemento de ligação entre os demais elementos que encontram-se nos vértices da pirâmide, pois a fonte de radiação eletromagnética, geralmente o sol, incide sobre o alvo/objeto de estudo, que reflete esta radiação, que posteriormente é coletada pelo sensor.
3. FUNCIONAMENTO DO SENSORIAMENTO REMOTO:
A radiação eletromagnética que é emitida pelo sol e refletida pelo objeto terrestre é captada pelo sensor e convertida em um sinal que possui a capacidade de ser registrado, sendo posteriormente apresentado de uma forma adequada, na qual é possível extrair as informações que se procura, seja em forma de valores ou de imagens.
4. PRINCIPIOS FÍSICOS
· RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA
A radiação eletromagnética propaga-se no vácuo com a velocidade da luz, podendo interagir com o meio físico através dos modelos quântico e ondulatório.
· Modelo Quântico (Corpuscular):
A REM pode ser observada como sendo o resultado da emissão de pequenos pulsos de energia.
· Model Ondulatório?
A REM é entendida como uma forma de onda senoidal e harmônica.
Em resumo, pode-se dizer que devido à dualidade da natureza da radiação eletromagnética, o modelo ondulatório se relaciona com as propriedades texturais dos objetos, enquanto que o modelo corpuscular às propriedades composicionais.
No nosso sistema planetário o Sol é a mais potente fonte de radiação eletromagnética devido a sua alta temperatura de superfície, próxima a 6000°C. A Terra também é uma fonte de REM, embora bem menos potente que o Sol, pois a sua temperatura média é de apenas 27°C. Essas duas fontes naturais de radiação eletromagnética são as mais usadas em sensoriamento remoto, elas não conseguem emitir radiação de todos os comprimentos de onda, , como na região das micro-ondas.
· ESPECTO ELETROMAGNÉTICO
A representação da radiação eletromagnética através de uma escala crescente de comprimentos de onda e decrescente de frequências chama-se espectro eletromagnético.
· Faixa Espectral do Visível:
Corresponde à faixa do espectro eletromagnético que o olho humano consegue transformar a energia refletida pelos objetos em imagem. Apresenta pequena variação no comprimento de onda, sendo de 0,38 μm até 0,78.
· Faixa Espectral do Infravermelho:
Região do espectro que estende-se de 0,7 a 1000 μm, e apresenta frequências que vão 3 x 1011 a 4 x 1014 Hz. Isso faz com que qualquer aparelho capaz de detectar mudanças de temperatura possam identificar a presença de radiação infravermelha. Costuma ser dividida em 3 regiões: Infravermelho Próximo (0,7 a 1,3 μm), Infravermelho Médio (1,3 a 6 μm) e Infravermelho Distante (6 a 1000 μm). Esta faixa tem grande importância por gerar informações adicionais as que são obtidas pelo olho humano.
· Faixa Espectral do Micro-ondas:
Possuem comprimentos de onda que variam de 1mm (milímetro) a 1 metro. Em virtude de sua baixa frequência, 12 Sensoriamento Remoto e Geoprocessamento este tipo de radiação não sofre interferências das condições atmosférica permitindo fazer registro mesmo em áreas com grande cobertura de nuvens (Diferente do comprimento de onda na faixa visível que não atravessa as nuvens). Em geral são utilizadas como fonte de radiação dos sensores ativos (por ex. laser scanner ou radar), que por ter fonte própria e não ser dependente da radiação emitida pelo sol, possui a vantagem de poder fazer registros fotográficos mesmo em períodos noturnos.
· INTERFERÊNCIAS ATMOSFÉRICAS:
Durante a sua passagem através da atmosfera, a REM vinda do Sol ou emitida pela Terra, interage com as moléculas dos constituintes gasosos e com o material particulado suspenso na atmosfera. Nessa passagem, a atmosfera interfere na intensidade do fluxo radiante, na distribuição espectral e na direção dos raios incidentes, tanto na sua trajetória descendente entre o Sol e a Terra como na trajetória ascendente da radiação refletida e emitida da superfície terrestre para o sensor. 
Apenas cerca de 50% da radiação emitida pelo Sol e que chega à Terra é absorvida pela sua superfície, o que ocorre, principalmente, pelo efeito atenuante do Ozônio presente na atmosfera terrestre. As partículas e moléculas presentes na atmosfera terrestre apresentam capacidade de absorção variáveis em relação aos comprimentos de onda do espectro eletromagnético.
A absorção é o efeito mais prejudicial ao sensoriamento remoto. Em vários intervalos de comprimentos de onda a atmosfera mostra-se parcial ou totalmente opaca às passagens da radiação solar e da radiação emitida pela Terra, em razão da absorção pelos gases nela presentes. Como consequência, a radiação solar pode ser impedida de atingir a superfície terrestre ou no mínimo sua intensidade é atenuada, o mesmo acontecendo com a radiação emitida pela Terra. Dessa forma, o sensor colocado no espaço ficará impedido de obter imagens da superfície terrestre nesses comprimentos de onda. Esses intervalos de comprimentos de onda são chamados de bandas de absorção da atmosfera e são proibitivos para o uso de sensoriamento remoto. As demais regiões onde a atmosfera não absorve total ou intensamente a radiação solar são chamadas de janelas atmosféricas, as únicas em que é possível usar o sensoriamento remoto.
· COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS:
O fluxo de energia eletromagnética ao atingir a superfície terrestre (energia incidente), interage de modo diferente com cada tipo de alvo, podendo ser refletida, absorvida e/ou transmitida pelo objeto. A capacidade que um objeto possui de absorver, refletir e transmitir a energia eletromagnética recebem o nome de absortância, reflectância, e transmitância, respectivamente, e seus valores variam de 0 a 1.
Quando a energia eletromagnética incidente em um objeto é refletida pelo mesmo, diz-se que ocorreu reflexão. Essa reflexão pode ser difusa ou especular:
No caso onde a radiação incidente em um objeto não é refletida, mas sim absorvida ou transformada pelo mesmo, diz-se que ocorreu absorção. No caso da transmissão, ela ocorre quando a energia que incide sobre um objeto é capaz de atravessar o mesmo, de forma total ou parcial.
5. SISTEMAS SENSORES:
Sensores remotos são dispositivos capazes de detectar a energia eletromagnética proveniente de um objeto, transformá-las em um sinal elétrico e registrá-las, de tal forma que este possa ser armazenado ou transmitido em tempo real, para posteriormente ser convertido em informações que descrevam as feições dos objetos que compõem a superfície terrestre.
5.1. Classificação dos sensores:
5.1.1. As variações da energia eletromagnética de uma área podem ser captadas através de sistemas sensores imageadores ou não-imageadores:
· Sistemas imageadores: são caracterizados por fornecerem uma imagem como produto da área imaginada;
· Não-imageadoras: fornecerem um produto apenas em forma de dígitos ou gráficos.
5.1.2. Segundo a onda da fonte eletromagnética:
· Sensores ativos: são aqueles que possuem fontes de energia eletromagnética artificiais;
· Sensores passivos: são aqueles que necessitam da energia eletromagnética emitida pelo Sol para gerarem registro das imagens.
6. IMAGEM DIGITAL
Uma imagem é o resultado de uma projeção de uma cena (espaço tridimensional) para o espaço bidimensional formada pelo plano de imagem do sensor. Neste contexto, deve-se destacar dois elementos importantes: o espaço objeto e o espaço imagem.
A imagem digital pode ser definida por uma matriz de pixels (menor estrutura de representação) que estão arranjados em linhas e colunas. Cada pixel representa uma determinada área da superfície terrestre e receberá um valor numérico digital, denominando “brilho digital” ou “valor radiométrico” que corresponderá ao valor médio da reflectância
dos alvos situados na região correspondente ao referido pixel.
A formação da imagem envolve três aspecto fundamentais: (a) o aspecto geométrico do processo de transformação da cena em imagem, (b) o aspecto radiométrico e (c) a discretização e quantização.
· ASPECTOS GEOMÉTRICOS: As características geométricas das imagens se referem à relação entre a posição dos objetos no mundo real e sua respectiva posição no espaço imagem. Considerando que as técnicas de aquisição de imagens são reprojeções de um espaço tridimensional para um bidimensional observa-se uma perda de informações relativa à coordenada Z;
· ASPECTOS RADIOMÉTRICOS: Aspecto associado à maneira como o brilho ou a energia proveniente de um objeto ou superfície é registrado e a fidedignidade de sua representação. Para cada posição no plano da imagem um valor de “brilho” ou “intensidade” é registrado. Este valor dependerá do comprimento de onda da energia incidente e da natureza constituinte do objeto que refletirá essa radiação e será definido em função de sua posição na imagem.
7. RESOLUÇÃO DA IMAGEM
7.1. RESLUÇÃO ESPECTRAL
A resolução espectral descreve a habilidade que um sensor possui de definir intervalos de comprimento de onda pequenos. Quanto mais estreitos forem estes intervalos, ou quanto mais bandas espectrais forem captadas pelo sensor, maior será a sua resolução espectral.
7.2. RESOLUÇÃO TEMPORAL
A resolução temporal refere-se ao tempo que o sensor leva para revisitar um mesmo ponto na superfície da terra, em condições normais, com seu eixo óptico na posição vertical (nadir).
7.3. RESOLUÇÃO RADIOMÉTRICA
A resolução radiométrica está associada à capacidade do sensor de distinguir dois níveis de intensidade da radiação eletromagnética captada. Quanto melhor for a resolução radiométrica de um sensor, mais sensível a pequenas diferenças de radiação emitida ou refletida (níveis de cinza) o mesmo será. A faixa de valores que o sensor irá diferir está associada a quantidade de bits utilizada para cada pixel.
7.4. RESOLUÇÃO ESPACIAL
A resolução espacial está diretamente ligada ao tamanho do pixel que um sensor pode obter, podendo ser definida como sendo o tamanho do menor objeto que poderá ser identificado em uma imagem. Quanto maior o tamanho do pixel, menor a resolução espacial do sensor, e menor será o detalhamento que poderá ser obtido através desta imagem.
8. PLATAFORMAS DE SENSORIAMENTO REMOTO
As plataformas de sensoriamento remoto definem o nível de aquisição dos dados. Esses níveis podem ser orbital (representados pelas plataformas espaciais), aéreo (representados pelas aeronaves e helicópteros) e terrestre (representados por torres, e sistemas radiométricos de campo).
As plataformas espaciais de sensoriamento remoto podem ser classificadas em plataformas tripuladas tais como as da série Mercury, Gemini, Apollo na década de 60 e os ônibus espaciais (Space Shuttle) a partir dos anos 80, ou ainda as plataformas soviéticas Vostok, Voskod, Soyuz e não tripuladas, como os vários programas existentes desde o lançamento dos primeiros satélites meteorológicos.
As plataformas espaciais podem ser classificadas em função do tipo de órbita em satélites geoestacionários e satélites de órbita polar.
Os satélites de órbita geoestacionária são satélites localizados em órbitas altas (a pelo menos 35 mil quilômetros acima da superfície da Terra) no plano do Equador, as quais se deslocam à mesma velocidade e direção do movimento de rotação da Terra, com isto, o satélite se mantém estacionário em relação à superfície, observando sempre a mesma região. Os satélite GOES e Meteosat são exemplos de plataformas espaciais geoestacionárias. 
Os satélites de órbita polar são síncronos com o Sol, ou seja, sua velocidade de deslocamento perpendicularmente ao plano do Equador é tal que sua posição angular em relação ao Sol se mantém constante ao longo do ano. Um satélite de órbita polar completa, em média, 15 órbitas em torno da Terra por dia. Cada órbita é completada em cerca de 100 minutos. Esses satélites podem assim passar sob todos os pontos da superfície terrestre sempre no mesmo horário, seja de dia ou seja a noite
9. PROGRAMAS ESPACIAIS (PRINCIPAIS SATELITES)
9.1. PROGRAMA LANDSAT
A série LANDSAT teve 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. Essa missão foi denominada Earth Resources Technology Satellite (ERTS) e em 1975 passou a se chamar Landsat.
A missão, em sua maioria, foi gerenciada pela National Aeronautics and Space Administration (NASA) e pela U.S. Geological Survey (USGS) e envolveu o lançamento de oito satélites. O primeiro satélite, e também o primeiro desenvolvido para atuar diretamente em pesquisas de recursos naturais, foi lançado em 1972 e denominado ERTS-1 ou Landsat-1. Levou dois instrumentos a bordo: as câmeras RBV (Return Beam Vidicon) e MSS (Multispectral Scanner System).
A continuidade de série ocorreu com o lançamento em 11/02/2013, do satélite LDCM (Landsat Data Continuity Mission) ou também denominado Landsat 8 que opera com os instrumentos OLI (Operational Land Imager) e TIRS (Thermal Infrared Sensor). O sensor OLI dará continuidade aos produtos gerados a partir dos sensores TM e ETM+, a bordo das plataformas anteriores, além de incluir duas novas bandas espectrais, uma projetada para estudos de áreas costeiras e outra para detecção de nuvens do tipo cirrus.
9.2. PROGRAMA CBERS
Os governos do Brasil e da China assinaram em 06 de Julho de 1988 um acordo de parceria envolvendo o INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) e a CAST (Academia Chinesa de Tecnologia Espacial) para o desenvolvimento de um programa de construção de dois satélites avançados de sensoriamento remoto, denominado Programa CBERS (China-Brazil Earth Resources Satellite, Satélite Sino-Brasileiro de Recursos Terrestres).
O Programa CBERS contemplou o desenvolvimento e construção de dois satélites de sensoriamento remoto, os satélites CBERS-1 e 2 que são compostos por dois módulos. O módulo "carga útil" que acomoda os sistemas ópticos (CCD – Câmera Imageadora de Alta Resolução, IRMSS – Imageador por Varredura de Média Resolução e WFI – Câmera Imageadora de Amplo Campo de Visada) usados para observação da Terra e o Repetidor para o Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais. O módulo "'serviço" contém os equipamentos que asseguram o suprimento de energia, os controles, as telecomunicações e demais funções necessárias à operação do satélite.
Em 2002, foi assinado um acordo para a continuação do programa CBERS, com a construção de dois novos satélites, os CBERS-3 e 4, com novas cargas úteis. Porém, em função de o lançamento do CBERS-3 ser viável apenas para um horizonte em que o CBERS-2 já tivesse deixado de funcionar, com prejuízo para ambos os países e para os inúmeros usuários do CBERS, o Brasil e a China, em 2004, decidiram construir o CBERS-2B e lançá-lo em 2007. O CBERS-2B operou até o começo de 2010. O satélite CBERS-2B é muito semelhante aos CBERS-1 e 2, mas o IRMSS é substituído pela HRC - Câmera Pancromática de Alta Resolução.
Os 1100 W de potência elétrica necessários para o funcionamento dos equipamentos de bordo eram obtidos através de painéis solares, que se abrem quando o satélite é colocado em órbita e se mantêm continuamente orientados na direção do Sol por controle automático. Para cumprir os rigorosos requisitos de apontamento das câmeras necessários à obtenção de imagens de alta resolução, o satélite dispõe de um preciso sistema de controle de atitude. No caso do CBERS-2B, uma melhoria significativa é a instalação de um receptor de GPS (Global Positioning System) e de um sensor de estrelas para assistir os mecanismos de controle de atitude. Esse sistema é complementado por um conjunto de propulsores a hidrazina que também auxilia nas eventuais manobras de correção da órbita nominal do satélite.
Os dados internos para monitoramento do estado de funcionamento do satélite são coletados
e processados por um sistema distribuído de computadores antes de serem transmitidos à Terra. Um sistema de controle térmico ativo e passivo provê o ambiente apropriado para o funcionamento dos sofisticados equipamentos do satélite.
O CBERS-3 foi lançado em 09 de dezembro de 2013, mas devido a uma falha ocorrida com o veículo lançador Longa Marcha 4B, o satélite não foi colocado na órbita prevista, resultando em sua reentrada na atmosfera da Terra. Após a falha do lançamento, Brasil e China decidiram antecipar o lançamento do CBERS-4 em um ano, sendo lançado em 07 de dezembro de 2014 com sucesso da base de Taiyuan, localizada a 500 km de Pequim.
Os satélites CBERS-3 e 4 representam uma evolução em relação aos satélites CBERS-1, 2 e 2B. Para os CBERS-3 e 4, são utilizadas quatro câmeras (Câmera Pancromática e Multiespectral - PAN, Câmera Multiespectral Regular - MUX, Imageador Multiespectral e Termal - IRS, e Câmera de Campo Largo - WFI) com desempenhos geométricos e radiométricos melhorados. Dando continuidade ao programa, no dia 20 de dezembro de 2019, foi lançado o CBERS 4A, também construído em parceira com a CAST Chinesa. Os sensores a bordo são semelhantes aos embarcados nos CBERS 3 e 4 (CBERS segunda geração), porém com melhorias na câmera imageadora chinesa, em relação a resolução geométrica e espectral disponível nas versões anteriores.
9.3 PROGRAMA SPOT
A série de satélites SPOT é controlada pela empresa francesa Spot Image. O projeto foi iniciado no final da década de 70 sob liderança do governo francês, pelo Centre National d´Etudes Spatiales (CNES) e apoio da Suécia e Bélgica.
Os satélites da família SPOT foram desenhados para operarem com sensores ópticos, em bandas do visível, infravermelho próximo e infravermelho médio. Ao todo foram lançados 7 satélites, divididos em gerações, de acordo com alterações de suas cargas úteis.
Os 3 primeiros satélites da série SPOT (lançados em 1986, 1990 e 1993) levaram a bordo sensores HRV idênticos, capazes de oferecer resolução espacial de 10m e 20m em modo pancromático e multiespectral, respectivamente. O quarto satélite, lançado em 1998, inovou com o acréscimo do sensor VEGETATION e alterou alguns parâmetros do sensor HRV, transformando-o no sensor HRVIR. O quinto satélite da série foi lançado em 2005, com três tipos de sensores a bordo: HRG (evolução do sensor HRVIR com aumento na resolução espacial das imagens e retorno do canal pancromático), o sensor VEGETATION-2 (idêntico ao seu antecessor) e o novo sensor HRS especializado em adquirir imagens stereo. Em 9 de setembro de 2012 foi lançado o SPOT 6 e em 30 de junho de 2014 foi lançado o SPOT 7. Atuando em conjunto e devido à capacidade de visadas dos sensores, a série fornece imagens das regiões de interesse em intervalos de 1 a 3 dias e é interessante por sua versatilidade na disponibilidade de imagens, na frequência e tamanho das áreas imageadas, na disponibilidade de vários níveis de correção e na possibilidade de programação de imageamento.
As imagens SPOT possuem aplicações nas mais diversas áreas científicas e comerciais, no monitoramento de fenômenos e recursos naturais, acompanhamento do uso agrícola das terras, apoio ao monitoramento e definição de áreas de preservação, atualização de mapas e cartas, entre outros.