SENSORES REMOTOS POR SISTEMA ÓPTICOS

1. INTRODUÇÃO

Podem-se conceituar sensores remotos (do inglês retome sensing; em certos países de língua portuguesa, são utilizados os termos detecção remota ou teledetecção – percepcíon remota ou teledeteccción, em espanhol) como a “técnica que utiliza sensores para capitação e registro à distância, sem o contato direto, da energia refletida ou absorvida pela superfície terrestre” (FITZ, 2008, p.109).

O sensoriamento remoto pode ser entendido como um conjunto de atividades que permite a obtenção de informações dos objetos que compõem a superfície terrestre sem a necessidade de contato direto com os mesmos. Os dados de sensoriamento remoto, de acordo com Moraes (2014), é obtido através da interação da energia eletromagnética e os objetos na superfície terrestre. Essas interações são determinadas pelas propriedades físico-químicas e biológicas desses objetos e podem ser identificadas nas imagens e nos dados de sensores remotos.

Ou seja, a energia eletromagnética refletida e emitida pelos objetos terrestres é à base de dados para todo o processo de sua identificação, pois ela permite quantificar a energia espectral refletida e/ou emitida por estes, e assim avaliar suas principais características.

A quantidade de energia refletida ou emitida varia de acordo com a natureza dos objetos e se dá em diversos comprimentos de onda. Cada comprimento de onda será captado em áreas distintas do sensor, que são chamadas Bandas (figura 1). Ou seja, cada elemento da superfície terrestre deve ser mais, ou menos nítido na imagem, possibilitando a interpretação de cada objeto na superfície.

 

Figura 1: Faixas do espectro eletromagnético de aquisição de imagem por sensores ópticos. Fonte: Oliveira, 2007.

Os sensores remotos por sistema ópticos são ferramentas indispensáveis para a realização de inventários, de mapeamento e de monitoramento da Terra (MORAES, 2002). Eles são sistemas geralmente compostos por uma associação de espelhos e lentes, destinados à concentração da radiação eletromagnética proveniente da superfície terrestre sobre o detector (SANTOS, 2014 p. 153).

Os sensores remotos por sistema ópticos evoluíram dos primeiros sistemas fotográficos por câmara que e são dispositivos capazes que emulam basicamente a visão e são fabricados segundo a tecnologia da emissão e recepção de irradiação infravermelha. De modo geral, apresentam uma vida útil praticamente infinita, e são mais precisos quando comparados a outros tipos de sensores. Como exemplo geral pode-se citar os sensores ópticos utilizados nas câmaras fotográfica com flash (SANTOS, 2014 p. 154).

Como produto dos sensores ópticos tem-se uma imagem da área obtida através de um conjunto de câmeras fotográficas, geralmente de alta potência capazes de detectar a energia eletromagnética (em determinadas faixas do espectro eletromagnético) 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 descrevem as feições dos objetos que compõem a superfície terrestre (MORAES, 2002).

Comparando os sensores das máquinas fotográficas com os sensores imageadores dos satélites tem-se com principal diferença a capacidade da maior parte dos sensores de imageamento de satélites de possuir a capacidade de "enxergar" o espectro eletromagnético da luz visível e o infravermelho quanto que às máquinas fotográficas que captam basicamente o espectro da luz visível. Todavia, as máquinas fotográficas foram os primeiros instrumentos utilizados em diversas plataformas para captura da superfície terrestres como por exemplo o pombo fotógrafo do alemão Oberhausen, utilizados para espionagem.

2. EVOLUÇÃO DO SENSORIAMENTO REMOTO OPTICO

Diversos autores associam a origem do sensoriamento remoto com o surgimento dos sensores (câmeras) fotográficos (SANTOS, 2014 p. 123). Ainda de acordo com autor, a história da origem do sensoriamento remoto pode ser dividida em dois períodos principais: o primeiro, que se inicia em 1860 e se estende até 1960, é totalmente dominado pelas fotografias áreas (inicialmente em balões e posteriormente em aviões), enquanto que o segundo, que se estende até os dias de hoje, é caracterizado pela multiplicidade de sistemas sensores de alta resolução espacial. No quadro 1, observa algumas datas significativas que retratam a evolução do sensoriamento remoto por dispositivos ópticos.

 

Quadro 1: Breve histórico da evolução e utilização dos sensores remotos ópticos.

Fonte: Autores, 2014.

 Em 1860 o norte-americano James Wallace Black foi o primeiro a ter sucesso com fotos aéreas de qualidade com uso de balões (figura 2).

 

Figura 2: Fotografia área da cidade de Boston em 1860 através de um balão de ar quente.Fonte: parquedaciencia.blogspot.com.br - Metropolitan Museum of Art - New York

 No inicio esse produtos foram utilizados na área militar. Na figura 3 observa-se um pombo correio fotógrafo equipado com uma câmera utilizado e patenteado pelo alemão Julio Neubronner em 1908.

 

Figura 3: Um pombo é equipado com uma câmera na exposição "Top Secret", do Museu da Espionagem em Oberhausen, Alemanha. Fonte: fotos. noticias. bol.uol.com.br.

Com o advento do avião, os processos e a dinâmica nos levantamentos por sensores ópticos foram transformados de modo que, o uso de balões, pipas e pombos se tornaram tecnologias ultrapassadas. A corrida espacial foi um dos fatores relacionados ao início da segunda fase, o qual, apesar de ter cerca de quarenta anos, apresenta uma grande dinâmica quanto aos instrumentos, produtos, meios de obtenção e forma de interpretação e análise destes (SANTOS, 2014 p. 154).

Ainda segundo o mesmo autor, os significativos avanços obtidos nas áreas de telecomunicações, ciência da computação, mecânica fina de precisão foram automaticamente incorporada aos sensores ópticos de precisão. Exemplos podem ser vistos com sensores hiper espectrais, sensores de alto poder resolutivo, sistemas especialistas para interpretação e análise de dados, comunicação via satélite a taxas de centenas de megabits por segundo.

Ou seja, o desenvolvimento de tecnologia espacial trouxe benefícios para várias áreas do conhecimento: Telecomunicações, previsão do tempo e clima, meio ambiente, medicina, indústria entre outros e neste sentido os programas espaciais serviram de motor para inovação tecnológica de imageamento da terra por sensores ópticos (FLORENZANO, 2007).

Assim, com sua evoluçãos os sensoriamento remoto óptico poderam ser disponibilizados em diversas plataformas como em nível terrestre, sub-orbital e orbital, vide Figura 4. Os representantes mais conhecidos do nível sub-orbital são as também chamadas fotografias aéreas, utilizadas principalmente para produzir mapas. No nível orbital estão os balões meteorológicos e os satélites. Os primeiros são utilizados nos estudos do clima e da atmosfera terrestre, assim como em previsões do tempo. Já os satélites também podem produzir imagens para uso meteorológico, mas também são úteis nas áreas de mapeamento e estudo de recursos naturais.

 

Figura 4: O sensoriamento ópticos pode ser em nível terrestre (1), sub-orbital (2) e orbital (3). Fonte: www.geoluislopes.com

Ao nível terrestre são feitas as pesquisas básicas sobre como os objetos absorvem, refletem e emitem radiação. Os resultados destas pesquisas geram informações sobre como os objetos podem ser identificados pelos sensores orbitais. Desta forma é possível identificar áreas de queimadas numa imagem gerada de um satélite, diferenciar florestas de cidades e de plantações agrícolas e até identificar áreas de vegetação que estejam doentes.
 

De acordo com Oliveira (2007), o princípio de funcionamento geral de um sensor óptico consiste na colocação de emissores e receptores de luz e esses também podem ser classificados como ativos e passivos, Na Figura 5 observa-se algumas plataformas orbitais que possuem sensores ópticos de imageamentos. 

Figura 5: Plataformas que possuem sensores ópticos passivos e ativos. Fonte: Autores, 2014.

Os sensores passivos não possuem fonte própria de energia eletromagnética, como por exemplo, os sensores do satélite Landsat. Os sensores ativos possuem uma fonte, ou seja, não necessita da luz solar para imagear. Um sensor é dito ativo quando este possui um emissor e um receptor que detecta esta onda e os sensores são ditos passivos quando estes possuem apenas receptores, ou seja, eles não emitem ondas infravermelhas, apenas detectam a movimentação destas nas suas áreas de atuação.
 

Mesmo com a invenção do satélite de imageamento terrestre, as técnicas e ferramentas utilizadas para levantamentos por sensores ópticos continuaram evoluindo, sendo ainda utilizados em larga escala para diversas aplicações. O exemplo mais recente da evolução das técnicas e ferramenta utilizada para imageamento através de sensores ópticos dos veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) ou Veículo Aéreo Remotamente Pilotado (VARP) (Figura 6).
 

3. CARACTERIZAÇÃO DOS SISTEMAS SENSORES ÓPTICOS

Toda imagem captada pelo sensor óptico, em formato digital, é armazenada em arquivos de computador como qualquer outro arquivo de dados. Cada registro deste arquivo corresponde a uma linha da superfície terrestre. Os campos destes registros são todos do mesmo tamanho e correspondem aos pixels. O valor armazenado em cada campo é proporcional à intensidade da Radiação Eletromagnética (REM), proveniente da parcela da superfície terrestre.
 

A REM é decomposta, pelos sensores, em faixas espectrais de larguras variáveis. Estas faixas são denominadas bandas espectrais. Quanto mais estreitas forem estas faixas espectrais, e/ou quanto maior for o número de bandas espectrais captadas pelo sensor, maior é a resolução espectral da imagem (MOREIRA, 2001). Um sistema sensor óptico é constituído basicamente por um coletor, que pode ser um conjunto de lente, espelho ou antena, e um sistema de registro (detetor) que pode ser um filme ou outros dispositivos e um processador, conforme é ilustrado na Figura 7.

Figura 7: Partes componentes de um sistema sensor.Fonte: Moreira, 2001.

De acordo com Moreira (2001, p.6), os sensores passivos e ativos são agrupados em duas categorias quanto ao principio de funcionamento: de varredura (“scanning”) e de não-varredura (“non scanning”) (Figura 8). Os sistemas sensores de não-varredura registram a radiação refletida de uma área da superfície da Terra em sua totalidade num mesmo instante. Por essa razão, são também conhecidos por sensores de quadro (“freming systems”). Os dados de radiação coletados por esses sensores podem ser expressos em duas formas: imagem e não imagem (gráfica ou numérica). Para categoria de sensores ópticos temos os sistemas fotográficos (forma imagem).

Nos sistemas sensores de varredura (scanning systems”), a imagem da cena é formada pela aquisição sequencial de “imagens elementares do terreno” ou “elemento de resolução”, também chamado de “pixel”.

Na literatura podem ser encontradas outras maneiras de classificar os sistemas sensores. Entretanto, todas elas têm como base à fonte de radiação e o produto gerado. Por exemplo, Moreira (2001) adota a classificação dos sistemas sensores em duas categorias: imageadores e não-imageadores, levando-se em conta a fonte de radiação (passivos e ativos). Na categoria dos sensores ópticos têm-se os sistemas fotográficos, sensores de varredura eletro-óptico-mecânicos, os radares de visada lateral, etc...

 

Figura 8: Resolução Espacial. Fonte: Autores.

 Ou seja, os sistemas fotográficos são dispositivos que, através de um sistema óptico (conjunto de lentes), registram a energia refletida pelos alvos da superfície da Terra em uma película fotossensível, que são os filmes fotográficos (detetores). Para os objetivos do sensoriamento remoto, os sistemas fotográficos mais utilizados são aqueles aerotransportados, entre eles podemos citar as câmeras métricas.

Cada sistema sensor óptico tem uma capacidade de definição do tamanho do pixel, que corresponde a menor parcela imageada (Figura 8). O pixel é indivisível. É impossível identificar qualquer alvo dentro de um pixel, pois seu valor integra todo o feixe de luz proveniente da área do solo correspondente ao mesmo. A dimensão do pixel é denominada de resolução espacial.

Figura 9: Resolução Espacial. Fonte: Adaptado Figueiredo, 2005.

As imagens LANDSAT têm resolução espacial de 30 m, a resolução espacial do SPOT é de 20 m e a do NOAA é de 1100 m. Quanto menor a dimensão do pixel, maior é a resolução espacial da imagem. Imagens de maior resolução espacial têm melhor poder de definição dos alvos terrestres, vide Figura 9.

Figura 9: Resolução Espacial. Fonte: Adaptado Figueiredo, 2005.

Outra característica dos sensores ópticos é a resolução radiométrica está relacionada a faixa de valores numéricos associados aos pixels. Este valor numérico representa a intensidade da radiância proveniente da área do terreno correspondente ao pixel e é chamado de nível de cinza.

As imagens LANDSAT utilizam 8 bits para cada pixel, portanto, o máximo valor numérico de um pixel destas imagens é 255, são todas as combinações possíveis de bits ligados e desligados. Desta maneira, a intensidade da REM é quantificada, na imagem LANDSAT, em valores entre 0 e 255, vide Figura 10.

 

Figura 10: Diferentes resoluções radiométricas da imagem de sensores ópticos.

Fonte: Adaptado Figueiredo, 2005.

 

5. IMAGENS ÓPTICAS EM ALTA RESOLUÇÃO QUE MOSTRAM OS ESTÁDIOS DA COPA DO MUNDO

Hoje os sensores ópticos em plataformas orbitais são utilizados em diversas áreas. No Brasil para Copa do Mundo os sensores ópticos dos satélites Pléiades disponibilizaram imagens de altas resoluções de 12 estádios da copa, para mostrar algumas informações sobre sua arquitetura, projeto de construção e o entorno cada estádio e/ou arena onde estão sendo disputados os jogos da Copa do Mundo da FIFA 2014. Operados pela Airbus Defence and Space (antiga Astrium) as imagens de satélites da Airbus também podem ser usadas para planejamento e desenvolvimento de infraestrutura do entorno dos estádios. Esta imagem forma obtidas por dois satélites Pléiades 1A e 1B fornecem imagens e dados ópticos de alta resolução com revisita diária de qualquer ponto da Terra (MUNDO GEO, 2014). Cada fotografia tem uma resolução de 70 centímetros. Os satélites também capturam imagens em 3D e têm uma capacidade teórica máxima de 1 milhão de km² por satélite.

As imagens de alta resolução proveniente de sensores ópticos são grande potencial para a execução de estudos de ambientes urbanos ou que exijam escala de detalhe. As imagens dos satélites Pléiades permitiram uma melhor caracterização do ambiente urbano e o mapeamento dos diferentes alvos observados.



 

Figura 11: Imagem óptica de alta resolução espacial dos Estádios e/ou Arenas da Copa 2014: a - Estádio do Maracanã Rio de Janeiro), b - Estádio Nacional Mané Garrincha (Distrito Federal), c - Estádio Beira-Rio (Porto Alegre), d - Arena Fonte Nova (Salvador), e - Mineirão (Belo Horizonte), f - Arena das Dunas (Natal), g - Arena Castelão (Fortaleza), h - Arena Amazônia (Manaus), i - Arena Pantanal (Cuiabá), j - Arena da Baixada (Curitiba), l - Arena Pernambuco (Recife) e m- Arena Corinthians (São Paulo). Fonte: MundoGeo, 2014.

Na Figura 12, observa-se a imagem do sensor óptico do satélite Pléiades da Arena Corinthians e seu entorno. Estes produtos também contribuem para o entendimento de algumas dinâmicas urbanas, como atividades que compreendem os aspectos sociais, econômicos e culturais. Neste sentido, auxilia sobremaneira na definição de estratégias para o planejamento urbano, bem como nos aspectos referentes ao zoneamento urbano ou definição de leis de uso do solo.

 

Figura 12: Imagem óptica de alta resolução espacial Arena Corinthians (São Paulo) e seu entorno. Fonte: MundoGeo, 2014.

 

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

 

BAZAN W. S. O que é VANT? Blog O Agrimensor do Futuro. Tudo de mais atual em Topografia e Geodésia. Disponível em:. Acesso em: 15 jun 2014.

FLORENZANO, T. G. Imagens de Satélite para Estudos Ambientais. São Paulo: Oficina de Textos. 2002.

FIGUEIREDO. D. Conceitos Básicos de Sensoriamento Remoto. Disponível em: .2007. Acesso em 15 jun 2005.

FITZ, Paulo. Geoprocessamento sem Complicação. São Paulo: Oficina do Texto, 2008.

INPE. CBERS: Satélite Sino-Brasileiro de Recursos Terrestres. Disponível em: . Acesso em: 10 jun. 2014.

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INPE. OBT. CBERS. Disponível em: . Acesso em: Acesso em: 10 jun. 2014.

JENSEN, J. R. Sensoriamento Remoto do Ambiente: Uma perspectiva em recursos terrestres. São José dos Campos, SP: Parêntese, 2009.

MAIA. N. F. Blog Ciência e Diversão. Como funciona e para que serve o sensoriamento remoto.  Disponível em: . Acesso em 16 jun 2014.

 MORAES. E. C. Fundamento de Sensoriamento Remoto. Instituto Nacional de Pesquisa Espacial. DSR/INPE. São José dos Campos. 2002. Disponível em:. Acesso em: 26 mai. 2014.

 MOREIRA. M. A. Sistemas Sensores. Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE. Agosto 2001. Disponível em:http://www.leb.esalq.usp.br/disciplinas/Topo/leb210/Angulo/sensores.pdf. Acesso em 26 mai. 2014.

MOREIRA. M. A. Fundamentos do Sensoriamento Remoto e Metodologias. instituto nacional de pesquisas espaciais – INPE. Agosto 2001. Disponível em: < http://www.leb.esalq.usp.br/disciplinas/Topo/leb210/Angulo/sensores.pdf>. Acesso em 19 jun 2014.

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OLIVEIRA, J. H. CHAVES, J. M. Utilização de sensores ópticos de média e alta resolução (LANDSAT 7 ETM+ e QUICK BIRD) na caracterização geomorfológica no Raso da Catarina-BA. Anais XIII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Florianópolis, Brasil, 21-26 abril 2007, INPE, p. 4097-4102. Acesso em: 12 jun 2014. 

SANTOS, A. R. Noções Teóricas e Práticas de Sensoriamento Remoto. Cap. 4, Disponível em: ttp://www.mundogeomatica.com.br/Fotogrametria/Livro Fotogrametria/Capitulo 4 Noções Teóricas Praticas de Sensoriamento Remoto.pdf>. Acesso em: 12 jun 2014.