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3. Satélites e sensores de observação da Terra Neste módulo descrevem-se os principais satélites e sensores que recolhem imagens da superfície terrestre. Como se poderá concluir depois deste módulo, os satélites tem características particulares que os tornam bastante úteis para a detecção remota da ...

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3. Satélites e sensores de observação da Terra Neste módulo descrevem-se os principais satélites e sensores que recolhem imagens da superfície terrestre. Como se poderá concluir depois deste módulo, os satélites tem características particulares que os tornam bastante úteis para a detecção remota da superfície da Terra e são mais vantajosos do que os aviões. Uma caracterização detalhada de cada satélite/sensor pode ser consultada nos sites oficiais ou em livros da especialidade. Kramer (1996) apresenta uma análise exaustiva das características técnicas das principais missões de detecção remota por satélite, mas não inclui os satélites recentemente lançados. Pretende-se que após a leitura e estudo deste módulo, o formando seja capaz de seleccionar o melhor satélite/sensor que adquira as imagens com as características adequadas para resolver um determinado problema. Neste módulo estudam-se os sensores electrónicos, excluindo-se os fotográficos. Por outro lado, dedicamo-nos apenas a sensores que operam no domínio do óptico, excluindo-se assim os que operam no domínio das microondas e do infravermelho térmico. No que respeita ao objectivo com que foram concebidos, descrevem-se os satélites de observação da Terra, excluindo-se os satélites meteorológicos.

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3.1. Tipos de sensores e aquisição de imagens Existe um grande número de tipos de sensores. Na Fig. 3.1 apresenta-se uma proposta da NASA (National Aeronautics and Space Administration) para classificação de sensores.

Figura 3.1 Tipos de sensores. Fonte: NASA (2002a).

Importa desde já discriminar dois tipos de sensores quanto à fonte de energia utilizada para caracterização dos elementos de interesse: sensores activos e passivos. Os sensores passivos detectam radiação exterior a eles e que se encontra disponível no meio natural. De uma forma geral, os sensores passivos captam e gravam energia solar depois de interagir com os elementos a caracterizar. Os sensores activos, por outro lado, providenciam a sua fonte de energia para iluminação dos elementos a caracterizar. Assim, estes sensores emitem radiação que irá interagir com os elementos, e depois captam e gravam a energia após interacção com esses mesmos elementos. Este tipo de sensores tem a grande vantagem de poder captar energia em qualquer altura do dia ou do ano, já que não depende de qualquer fonte exterior de energia. Por outro lado, os sensores activos podem também utilizar zonas do espectro electromagnético que não existem em quantidade suficiente na energia solar, como é o caso Mestrado e Pós -Graduação em Ciência e Sistemas de Informação Geográfica ISEGI, Universidade Nova de Lisboa Disciplina: Detecção Remota, Professor Doutor Mário Caetano

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das microondas. Os sensores que operam nesta zona do espectro são normalmente designados por sensores Radar (Radio detection and ranging). Neste curso interessam-nos os scanners mecânicos ópticos de imagem. Estes sistemas utilizam sensores com um pequeno ângulo de visão que varre a superfície para construção de uma imagem bidimensional. Um sistema que adquire dados numa série de regiões do espectro electromagnético é designado por scanner multi-espectral. Existem dois métodos ou modos principais de scanning para adquirir dados multi-espectrais: across-track scanning e along-track scanning. Os sistemas de cross-track scanning varrem a Terra numa série de linhas (Fig. 3.2). Estas linhas estão orientadas perpendicularmente à direcção de deslocamento da plataforma do sensor. Cada linha é digitalizada de um lado ao outro através de um espelho rotativo. Normalmente as linhas são muito compridas (da ordem de quilómetros) e muito estreitas (da ordem de metros). À medida que a plataforma se move, varrimentos sucessivos dão origem a uma imagem bidimensional. Este tipo de obtenção de imagens pode ser comparado aos movimentos de uma vassoura de mão para limpar uma mesa de um lado para o outro, e por isso este tipo de sensores têm sido designados por whiskbroom scanner. Cada linha está subdividida numa sequência contígua de elementos espaciais que representam uma determinada área no terreno. Cada célula é detectada uma a seguir à outra ao longo da linha. No sensor, cada célula está associada com um pixel que está ligado a um detector microelectrónico. Cada pixel é caracterizado por um instante e por um determinado valor de radiância. Os sistemas along-track scanning distinguem-se dos anteriormente descritos porque não tem o espelho rotativo, mas antes um conjunto de detectores em linha sobre o plano focal da imagem (Fig. 3.3). Neste caso, os pixels que irão constituir a imagem correspondem a estes detectores individuais em linha. Este sistema pode ser visualizado como uma vassoura que se empurra ao longo do chão, e em que as cerdas da vassoura seri am os detectores, e que por isso são designados por pushbroom scanners. Cada detector quantifica a energia de um célula de resolução no solo. Existe um conjunto de detectores lineares para cada banda.

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Figura 3.2 Ilustração da aquisição de imagens por cross-track scanning. Fonte: NASA (2002a).

Figura 3.3 Ilustração da aquisição de imagens por along-track scanning. Fonte: NASA (2002a).

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Muitos satélites têm sensores pancromáticos, que se distinguem dos multi-espectrais porque recolhem dados de radiância apenas numa zona do espectro electromagnético pois não dividem a radiação nas suas componentes espectrais (que é o que os sensores multi-espectrais fazem). Uma característica importante dos sensores de detecção remota é a largura da imagem, i.e. swath (Fig. 3.4). A swath pode variar muito de sensor para sensor. Por exemplo, o Quickbird têm uma swath de 22 Km e o Landsat 7 uma de 185 Km.

Figura 3.4 Ilustração do conceito de swath. Fonte CCRS (2002)

3.2. Tipos de órbitas O percurso percorrido por um satélite designa-se por órbita, que se pode caracterizar pela altitude, orientação e rotação relativamente à Terra. A inclinação da órbita é o ângulo entre o plano orbital e o plano do equador, e determina a área da Terra que será observada pelo sensor a bordo do satélite. Um satélite com uma inclinação de 50º terá uma área de observação entre 50º Norte e 50º Sul do Equador. Se se quiser observar toda a superfície da Terra com um só satélite, este terá que ter uma inclinação de 90º. No que respeita à altitude, existem satélites em órbitas tão baixas como 470 Km, e.g. Quickbird, até 36 000 Km como o GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite). A altitude da órbita está obviamente relacionada com a velocidade do satélite necessária para uma volta completa à Terra: quanto mais baixa for a órbita maior será a velocidade e menor será o tempo necessário para dar essa Mestrado e Pós -Graduação em Ciência e Sistemas de Informação Geográfica ISEGI, Universidade Nova de Lisboa Disciplina: Detecção Remota, Professor Doutor Mário Caetano

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volta (Tabela 3.1). Repare-se que a altas altitudes a força gravitacional é menor e portanto a velocidade também pode ser menor.

Tabela 3.1 Relação entre altitude, velocidade e período orbital. Fonte: NASDA (2002).

Os satélites, quanto à sua órbita podem ser classificados em: geo-estacionários e não geoestacionários. Os satélites geo-estacionários deslocam-se a altitudes de 36 000 Km (aproximadamente) sobre o plano do equador na mesma direcção e a velocidades semelhantes à da rotação da Terra. Um satélite em órbita geo-estacionária desloca-se aproximadamente a 3 Km por segundo. Assim, estes satélites são estacionários relativamente à superfície da Terra, o que quer dizer que observam sempre a mesma área da Terra (Fig. 3.5). Por estarem sempre sobre a mesma posição da Terra, os satélites geo-estacionários permitem aquisições de imagens da mesma área com uma grande periodicidade. Satélites meteorológicos (e.g., GOES, METEOSAT) e de comunicações normalmente têm órbitas geo-estacionárias. Repare-se que devido à elevada altitude deste tipo de órbitas, os satélites meteorológicos podem monitorizar o tempo e padrões de nuvens de todo um hemisfério da Terra (Fig 3.6). A órbita geo-estacionária é um caso particular de órbita geo-síncrona por estar no plano do equador. O período de uma órbita geosíncrona é igual ao período de rotação da Terra, i.e. um dia.

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Figura 3.5 Ilustração de uma órbita geo-estacionária. Fonte: NASDA (2002).

Figura 3.6 Exemplo de uma imagem adquirida pelo GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite), um satélite meteorológico com órbita geo-estacionária. Fonte: NASA (2002c).

Os satélites não geo-estacionários não se ma ntêm fixos sobre o mesmo ponto da superfície terrestre e deslocam-se sobre um plano que forma um determinado ângulo com o equador (Fig. 3.7). Estes satélites podem-se deslocar em órbitas polares (sobre os pólos), directas (inclinação entre 0º e 90º, com movimentos de Oeste para Este) ou retrógradas (inclinação entre 90º e 180º com deslocação de Este para Oeste). Em cada um destes tipos de órbitas, quanto maior for o ângulo com o equador maior a área que pode ser “vista” pelo sensor. Mestrado e Pós -Graduação em Ciência e Sistemas de Informação Geográfica ISEGI, Universidade Nova de Lisboa Disciplina: Detecção Remota, Professor Doutor Mário Caetano

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Figura 3.7 Ilustração de uma órbita não geo-estacionária com um determinado ângulo de inclinação. Fonte: Integrated Publishing (2002).

Os satélites polares deslocam-se sobre um plano perpendicular ao do equador. Neste tipo de órbitas, os satélites deslocam-se de Norte para Sul e de Sul para Norte, e devido à rotação da Terra (de Oeste para Este), estes satélites podem obter imagens que praticamente cobrem toda a Terra num determinado intervalo de tempo (Fig. 3.8).

Figura 3.8. Ilustração de aquisição de imagens por satélites nã o geo-estacionários e helio-síncronos. Fonte Sokolik (2002). Mestrado e Pós -Graduação em Ciência e Sistemas de Informação Geográfica ISEGI, Universidade Nova de Lisboa Disciplina: Detecção Remota, Professor Doutor Mário Caetano

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A maior parte das órbitas quase-polares é sincronizada com o sol, i.e. helio-síncrona, que se caracteriza pelo seu plano formar um ângulo constante com a linha Sol-Terra. Assim, uma determinada área é sempre coberta pelo satélite à mesma hora local o que significa que as condições de iluminação são as mesmas (ignorando diferenças sazonais). Consequentemente imagens adquiridas em diferentes anos formam-se com as mesmas condições de iluminação o que facilita a comparação das imagens ao longo dos anos. A maior parte dos satélites têm órbitas quase-polares. Nestas órbitas, o satélite desloca-se em direcção ao Norte (passagem ascendente) num lado da Terra e em direcção ao Sul no outro lado (passagem descendente). Se a órbita for helio-síncrona, a passagem ascendente é, na maior parte das vezes, feita na parte ensombrada da Terra, e a descendente na parte iluminada. Assim, os sensores passivos recolhem as imagens na sua passagem descendente. A Fig. 3.9 ilustra a órbita do satélite Landsat 7. O azul claro representa a parte da Terra com dia e o azul escuro a parte com noite. A órbita do satélite está representada a amarelo quando o satélite está a passar por uma parte da Terra que está a ser iluminada e a vermelho quando o satélite está a passar por uma parte não iluminada. Como a Terra roda, e a órbita é (em teoria) fixa, as diferentes partes da Terra podem ser “vistas” pelo sensor montado no satélite. O Landsat faz 14.5 órbitas por dia. Na Fig. 3.10 ilustram-se as swaths do Landsat 7.

Figura 3.9 Órbita do satélite Landsat 7. Fonte: The electronic Universe Project (2002).

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Figura 3.10 Ilustração das swaths do Landsat 7. Fonte: NASA (2002).

A selecção do tipo de órbita para um determinado satélite depende dos objectivos da missão. Se se pretender obter dados de uma grande superfície numa só imagem para se observarem processos globais e muito dinâmicos (como a nebulosidade), deve-se optar por satélites geoestacionários ou então por helio-síncronos com um grande campo de visão. Se se pretender um maior detalhe espacial de observação então deve-se optar por satélites polares ou quasepolares.

3.3. Quatro tipos de resoluções A quantidade de informação contida numa imagem depende em grande parte da sua resolução. A resolução de uma imagem pode ser definida em 4 dimensões: espacial, espectral, radiométrica e temporal.

Resolução espacial A resolução espacial corresponde ao mais pequeno elemento que pode ser detectado por um determinado sensor, e define o detalhe espacial de uma imagem. A resolução espacial depende primariamente do campo instantâneo de visão do sensor, normalmente designado por IFOV (Instantaneous Field of View). O IFOV é o cone angular de visibilidade de um sensor e Mestrado e Pós -Graduação em Ciência e Sistemas de Informação Geográfica ISEGI, Universidade Nova de Lisboa Disciplina: Detecção Remota, Professor Doutor Mário Caetano

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determina a área de terreno que, na teoria, é observada pelo sistema posicionado a uma dada altitude e num dado instante de tempo (Fig 3.11). As unidades do IFOV são micro-radianos (1 mrad = 10-3 rad). O tamanho da área, normalmente designada por GFOV (Ground Field of View), que é observada pode ser determinada pela multiplicação do IFOV pela distância do sensor ao solo. Esta área no solo é designada por célula de resolução e determina a resolução máxima do sensor. Para que um determinado objecto possa ser detectado, o seu tamanho tem que ser igual ou superior à célula de resolução. Contudo repare-se que, por vezes, objectos mais pequenos que a célula de resolução podem ser detectados, se a sua reflectância dominar a reflectância de outros elementos existentes no mesmo pixel .

Fig. 3.11 Ilustração do conceito de IFOV. Fonte: JARS (1999).

A resolução espacial pode variar desde 1 m do IKONOS, passando por 30 m do Landsat-TM, 250 m de algumas bandas do EOS-MODIS até 1.1 Km do NOAA/AVHRR.

Resolução espectral A resolução espectral refere-se à dimensão e ao número de intervalos de comprimento de onda específicos (canais espectrais) do espectro electromagnético que o sensor é capaz de distinguir. De acordo com a resolução espectral, os sensores podem ser classificados em multiespectrais e hiper-espectrais. Os sensores multi-espectrais gravam a energia num pequeno número de regiões do espectro electromagnético. Os sensores hiper-espectrais gravam a Mestrado e Pós -Graduação em Ciência e Sistemas de Informação Geográfica ISEGI, Universidade Nova de Lisboa Disciplina: Detecção Remota, Professor Doutor Mário Caetano

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energia num grande número de estreitas regiões do espectro electromagnético. Alguns autores ainda distinguem sensores com banda larga e sensores com banda estreita. Os vários sensores montados em satélites têm resoluções espectrais bastante diferentes. No que respeita ao número de bandas, temos por exemplo o SPOT-HRV com 4 bandas, o TM com 7 bandas, e o EOS-MODIS com 36 bandas.

Resolução temporal A resolução temporal refere-se ao tempo decorrido entre sucessivas aquisições de imagens com o mesmo ângulo de observação de um mesmo local. Esta definição pode ser designada por resolução temporal absoluta. Se não exigirmos que as duas imagens consecutivas sejam obtidas com o mesmo ângulo de observação, a resolução temporal corresponde à frequência com que um dado sensor obtém imagens de uma mesma área (resolução temporal relativa). Os satélites de detecção remota podem ter resoluções temporais desde 26 dias do SPOT HRV, 16 dias do MSS e TM do Landsat-5, 2 dias do EOS-MODIS até 12 horas do NOAA/AVHRR.

Resolução radiométrica A resolução radiométrica consiste na capacidade do sensor registar variações na intensidade da radiação para um dado comprimento de onda, e define o número de níveis digitais usados para exprimir os dados recolhidos pelo sensor. Quanto maior for a resolução radiométrica de um sensor, maior é a capacidade do sensor para detectar e registar pequenas diferenças na energia reflectida. Os dados imagens podem ser representados por um número digital positivo de 0 até uma determinada potência de 2 (menos um). Este valor corresponde ao número de bits utilizados para codificar números em formato binário. Cada bit grava uma potência de 2. Por exemplo se um sensor usa 8 bits para gravar dados, então existem 256 (28) níveis disponíveis, e os números digitais (ND) variam de 0 a 255. Mas se um sensor utiliza apenas 4 bits para gravar os dados, então só existem 16 (24) níveis disponíveis, e os ND variam de 0 a 15. Na Fig 3.12 ilustra-se o efeito da resolução radiométrica numa mesma imagem.

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Figura 3.12 A mesma imagem codificada em 4 (2 ) e em 256 (2 ) números digitais. Fonte: CCRS (2002)

Os construtores de sensores têm optado por diferentes resoluções radiométricas. A resolução radiométrica pode ir de 6 bits (e.g., MSS do Landsat), até 8 bits (TM do Landsat, HRV do SPOT), 10 bits (NOAA/AVHRR) ou mesmo 12 bits (MODIS do EOS).

3.4. Os principais programas de observação da Terra Convém, desde já, distinguir dois tipos de sensores, os de observação da Terra e os meteorológicos. Os satélites de observação da Terra foram especificamente concebidos para a caracterização e monitorização dos recursos terrestres, e.g., floresta, agricultura e minerais. Os sensores meteorológicos foram especificamente concebidos para previsão e monitorização do tempo. A detecção remota por satélite começou com os satélites meteorológicos e só depois se estendeu para a observação da Terra. O primeiro satélite meteorológico a ser lançado foi o TIROS (Television Nifrared Observation Satellite) em 1960 pelos EUA. Os principais satélites meteorológicos são: Indian National Satellite (INSAT) Geosynchronous Operational Meteorological Satellite (GOMS) da Rússia Geostationary Meteorological Satellite (GMS) do Japão Himawari do Japão

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Meteorological Satellite (METEOSAT) da Europe's Meteorological Satellite Organization (EUMETSAT) (Fig. 3.13) METEOSAT Second Generation (MSG) da EUMETSAT Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) dos EUA Polar Operational Environmental Satellite (POES) dos EUA, de onde se destacam os satélites NOAA-n

Fig. 3.13 Imagem obtida por um satélite da EUMETSAT. Fonte: EUMETSAT (2002).

Alguns dos satélites meteorológicos citados são geo-síncronos e outros têm uma órbita polar de baixa altitude (tipicamente de 700 a 800 Km). Os satélites polares podem adquirir imagens com maior resolução espacial. Na Fig. 3.14 apresentam-se as áreas cobertas por alguns dos satélites meteorológicos geo-estacionários mais importantes. As imagens adquiridas por sensores meteorológicos caracteri...