sid.inpe.br/mtc-m19/2010/08.24.15.05-TDI AVALIA ¸ C ˜ AO TEM ´ ATICA DE IMAGENS ALOS/PALSAR NO MAPEAMENTO DO USO E COBERTURA DA TERRA NA REGI ˜ AO SEMI- ´ ARIDA BRASILEIRA Fabio Fernandes da Silva Disserta¸ c˜ ao de Mestrado do Curso de P´ os-Gradua¸ c˜ ao em Sensoriamento Remoto, orientada pelo Dr. Jo˜ ao Roberto dos Santos, aprovada em 26 de agosto de 2010. URL do documento original: <http://urlib.net/8JMKD3MGP7W/385J7C5 > INPE S˜ ao Jos´ e dos Campos 2010
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Avaliação temática de imagens ALOS/PALSAR no mapeamento do ...
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sid.inpe.br/mtc-m19/2010/08.24.15.05-TDI
AVALIACAO TEMATICA DE IMAGENS ALOS/PALSAR
NO MAPEAMENTO DO USO E COBERTURA DA
TERRA NA REGIAO SEMI-ARIDA BRASILEIRA
Fabio Fernandes da Silva
Dissertacao de Mestrado do Curso de Pos-Graduacao em Sensoriamento Remoto,
orientada pelo Dr. Joao Roberto dos Santos, aprovada em 26 de agosto de 2010.
Dados Internacionais de Catalogacao na Publicacao (CIP)
Silva, Fabio Fernandes da.
Si38a Avaliacao tematica de imagens ALOS/PALSAR no mapea-mento do uso e cobertura da terra na regiao semi-arida brasi-leira / Fabio Fernandes da Silva. – Sao Jose dos Campos : INPE,2010.
xviii+66 p. ; (sid.inpe.br/mtc-m19/2010/08.24.15.05-TDI)
Dissertacao (Mestrado em Sensoriamento Remoto) – InstitutoNacional de Pesquisas Espaciais, Sao Jose dos Campos, 2010.
Orientadores : Dr. Joao Roberto dos Santos.
1. ALOS/PALSAR. 2. Caatinga. 3. Uso da terra. 4. Coberturada terra. I.Tıtulo.
“A humildade é a única base sólida de todas as virtudes”.
Confúcio
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vii
AGRADECIMENTOS
Primeiro agradeço a Deus pela oportunidade à vida e as demais oferecidas.
Agradeço a meus pais (Sônia e Fernando) e minha irmã Ana, pelo apoio
incondicional e incentivo.
Ao orientador Dr. João Roberto dos Santos, pela orientação, oportunidade,
confiança depositada e conhecimentos compartilhados.
Ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, pela excelência do curso de pós-
graduação em sensoriamento remoto e infraestrutura proporcionada e aos
pesquisadores pelos conhecimentos compartilhados. Agradeço em especial
aos pesquisadores José Cláudio Mura e Sidnei João S. Sant’Anna, pela
disponibilidade e orientações no processamento das imagens SAR.
Ao IBGE pela cessão das imagens ALOS/PALSAR.
À Creaso/Sarmap, pela cessão da licença do software SARscape.
À Embrapa Semi-Árido pelo apoio no trabalho de campo. Ao Engenheiro
Cartógrafo Paulo Cesar Gurgel de Albuquerque do DSR/INPE pelo
levantamento GPS realizado.
Aos coordenadores do NGeo/Chesf (Vinicius Queiroga e Valéria Carazzai) pelo
apoio oferecido na continuação deste trabalho.
Aos amigos da turma PGSERE 2008 e outras turmas pela amizade e bons
momentos compartilhados.
A todos que direta e indiretamente contribuíram para a realização deste
trabalho.
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RESUMO
O presente trabalho teve como objetivo analisar o uso potencial de imagens ALOS/PALSAR, no modo dual FDB 1.1 (banda L), na caracterização e no mapeamento do uso e cobertura da terra no semi-árido brasileiro. Neste estudo foram utilizados algoritmos de classificação MAXVER-ICM e de Wishart, envolvendo imagens-amplitude nas formas individual, pares e/ou o conjunto de componentes derivadas da matriz de covariância [AHH, AHV e AHH*HV]. Obtidas as classificações por esses métodos acima mencionados, foram realizadas avaliações do grau de acurácia temática através da estatística Kappa. Levantamentos fisionômico-estruturais das fácies de caatinga e também pontos de observações das tipologias de uso e cobertura da terra, devidamente georrefrenciados, serviram como amostras de treinamento e calibração temática, ficando definidas as seguintes classes de uso e cobertura da terra para área em estudo: caatinga arbórea, caatinga arbórea-arbustiva, caatinga arbustiva, agricultura e corpos d’água. O procedimento metodológico aplicado mostrou que o melhor resultado obtido foi no uso do conjunto de componentes [AHH, AHV e AHH*HV], por meio da classificação MAXVER-ICM, apresentando uma exatidão global de 66% e índice Kappa 0.58. Adicionalmente, foi também avaliada a qualidade posicional planimétrica do produto ALOS/PALSAR ortorretificado, gerado com a utilização de dados de efemérides da plataforma e DEM SRTM. A verificação utilizando pontos GPS rastreados em campo permitiu a caracterização preliminar do produto de acordo com o Padrão de Exatidão Cartográfico (PEC) na classe A para a escala 1:100.000.
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ASSESSMENT OF ALOS/PALSAR IMAGE FOR LAND USE/LAND COVER MAPPING IN BRAZILIAN SEMI-ARID REGION
ABSTRACT
The objective of this study was to analyze the potential use of ALOS/PALSAR images at acquisition mode dual FDB 1.1 (L-band), to characterize and map the vegetation cover in the Brazilian semi-arid region. In this study the MAXVER-ICM and Wishart classifiers were used, which involved single, pairs and/or three components of the co-variance matrix [AHH, AHV and AHH-HV]. After the classification, using the above mentioned algorithms, the thematic accuracy was evaluated using Kappa statistics. Field survey data related to the physiognomic-structural parameters of the "Caatinga" (steppe savanna) vegetation types as well as observation points of land use/land cover classes, duly georeferenced, were as training and test samples for the thematic classification and its calibration. In the methodological procedure, the best result was found when the three components [AHH, AHV and AHH-HV] were used and classified by the MAXVER-ICM algorithm, presenting an overall accuracy of 66% (Kappa = 0.58) for the class separability. Additionally, we also evaluated the posicional planimetric quality of the ALOS/ PALSAR orthorectified product, generated with the use of ephemeris data platform and SRTM DEM. The check points using GPS in the field allowed the characterization based on the Brazilian Standard for Cartographic Accuracy for 1:100.000-map (Class A).
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xiii
LISTA DE FIGURAS
Pág. Figura 3.1 – Localização geográfica da área de estudo, imagem TM/LandSat 5
(composição colorida RGB543, de 01/11/2008)............................................... 17
Figura 3.2 – Imagens ALOS/PALSAR da área de estudo: (a) amplitude HH, (b)
amplitude HH*HV, (c) amplitude HV e (d) composição colorida com as
Figura 3.3 – Precipitação pluviometria para o mês de maio de 2008, medidos
pelo PCDs em Serra Talhada nas proximidades da área de estudo............... 21
Figura 3.4 – Fluxograma geral do trabalho. ..................................................... 22
Figura 3.5 – Fluxograma da etapa de pré-processamento............................... 23
Figura 3.6 – Ilustração de transecto em linha................................................... 26
Figura 3.7 – Modelo de planilha utilizada em campo. ...................................... 27
Figura 4.1 – Foto representativa de caatinga arbórea na área de estudo........31 Figura 4.2 – Perfil fisionômico-estrutural da classe caatinga arbórea. .............32 Figura 4.3 – Foto representativa de caatinga arbórea-arbustiva. .....................33 Figura 4.4 – Perfil fisionômico-estrutural da classe caatinga arbórea-
arbustiva. ........................................................................................34 Figura 4.5 – Foto representativa de caatinga arbustiva. ..................................34 Figura 4.6 – Perfil fisionômico-estrutural da classe caatinga arbustiva. ...........35 Figura 4.7 – Fotos de cultivo agrícola e de pastagem implantada. ..................36 Figura 4.8 – Foto da barragem de Serrinha (Serra Talhada, PE).....................36 Figura 4.9 – Gráficos box-plot das classes de uso e cobertura da terra nas
polarizações HH (a) e HV (b)..........................................................38 Figura 4.10 – Mapa temático da classificação MAXVER-ICM empregando as
componentes [AHH, AHV, AHH*HV]......................................................44 Figura 4.11 – Produto ortorretificado gerado na projeção UTM, fuso 24,
sistema de referência geodésico WGS84. Combinação colorida R(HH)B(HV)G(HH). ........................................................................45
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LISTA DE TABELAS
Pág.
Tabela 2.1 - Principais bandas utilizadas em sensores SAR em níveis orbital e/ou transportado. ....................................................................................... 6
Tabela 2.2 - Características do instrumento PALSAR...................................... 14 Tabela 3.1 – Principais características da imagem ALOS/PALSAR utilizada. . 18 Tabela 4.1 – Número de amostras e de pixels utilizados nas fases de
treinamento e teste. .................................................................................. 37 Tabela 4.2 – Matrizes de confusão das classificações MAXVER-ICM das
Tabela 4.3 – Matriz de confusão da classificação Wishart. .............................. 40 Tabela 4.4 - Resultado da comparação entre as classificações pelo teste Z
sobre o índice Kappa, realizado com as classificações Maxver-ICM e Wishart. As células destacadas representam os resultados significativos a um nível de 5% de significância. ............................................................... 41
Tabela 4.5 – Relação de coordenadas UTM/WGS-84, fuso 24, dos pontos obtidos na imagem ortorretificada e em campo (GPS) e seus resíduos. .. 46
Tabela A.1 – Dados de precipitação diária do posto pluviométrico de Serra Talhada no mês de maio de 2008............................................................. 57
Tabela B.1 - Lista de nomes populares, nomes científicos e famílias das espécies encontradas na área de estudo.................................................. 59
3.5.2 Amostras de treinamento e teste......................................................... 24
3.6 Classificações das imagens ALOS/PALSAR ......................................... 28
3.6.1 Classificação pelo método MAXVER-ICM ........................................... 28
3.6.2 Classificação pelo método Wishart ..................................................... 28
3.7 Ortorretificação da imagem ALOS/PALSAR e avaliação da qualidade posicional planimétrica.................................................................................. 29
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES.................................................................. 31
4.1 Caracterizações das classes de uso e cobertura da terra.................... 31
APÊNDICE A – DADOS DO POSTO PLUVIOMÉTRICO SERRA TALHADA MÊS DE MAIO DO ANO DE 2008. .................................................................. 57
APÊNDICE B – LISTA DE NOMES POPULARES, NOMES CIENTÍFICOS E FAMÍLIAS DAS ESPÉCIES ENCONTRADAS NA ÁREA DE ESTUDO. ........ 59
APÊNDICE C – RELATÓRIO DE PROCESSAMENTO NO APLICATIVO GEOPEC. ......................................................................................................... 63
1
1 INTRODUÇÃO
A caatinga é a vegetação típica da região tropical semi-árida brasileira,
ocupando uma área de aproximadamente 844.453 km2, cerca de 10% do
território brasileiro (IBGE, 2004). Essa vegetação, em termos gerais, apresenta
espécies de folhas decíduas, pequenas e finas, raízes tuberosas e superficiais
e a presença das cactáceas, cujas folhas são transformadas em espinhos para
reduzir ao máximo a perda de líquido pela transpiração (VELOSO et al., 1991).
O bioma caatinga é o menos conhecido pela comunidade científica e vem
sofrendo com uma grave degradação ambiental, apresentando atualmente,
apenas 1% dos remanescentes protegido por unidades de conservação
ambiental (CARVALHO et al., 2005; FRANCA-ROCHA, 2007). Este bioma
conta com poucos mapeamentos do uso e cobertura da terra. Dentre as
iniciativas mais recentes de mapeamento podemos destacar: o Zoneamento
Agroecológico do Nordeste (SILVA et al., 2000) e o Levantamento da
Cobertura Vegetal e Uso da Terra do Bioma Caatinga realizado pelo Ministério
de Meio Ambiente (MMA, 2005).
O uso de imagens de Sensoriamento Remoto tem fornecido importantes
subsídios ao mapeamento do uso e cobertura da terra, sobretudo com a
utilização de imagens de distintos sensores que operam na região óptica do
espectro. Em experimentos com dados ópticos na região semi-árida, foram
realizados mapeamentos dos remanescentes da caatinga, análise das
condições fenológicas da tipologia vegetal, e a caracterização do nível de
degradação e recuperação da paisagem vegetacional (CARVALHO, 1986;
SÁ, 1991; MALDONADO, 1999; ACCIOLY et al., 2001; TEOTIA et al., 2003;
MALDONADO, 2004; BARROS et al., 2005; LOPES et al., 2005; FREITAS,
2006).
Em face da disponibilização no mercado de imagens SAR (Synthetic Aperture
Radar) em nível orbital e o interesse da comunidade técnico-científica em
2
aprimorar ferramentas de tratamento desses dados, tornou-se uma importante
opção dispor desses produtos para o mapeamento e monitoramento da
paisagem, sobretudo em regiões com elevada cobertura de nuvens. No caso
específico de áreas do semi-árido, poucos são os trabalhos que fazem uso de
dados-radar (RENNÓ, 1995; WEGMÜLLER et al., 2000; PALOSCIA et al. 2001;
BILBISI; TATEISHI, 2002; QING et al., 2003; ZRIBI et al., 2003; KNUST, 2007;
SILVA, 2007; KWARTELANG et al., 2008). Nesse contexto, o presente trabalho
é contributivo na aplicabilidade de dados ALOS/PALSAR na análise da
paisagem do semi-árido nordestino brasileiro.
Adicionalmente, pretende-se, também, contribuir com as atuais diretrizes da
Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (FIBGE), que está
responsável pela comercialização das imagens ALOS do território nacional aos
usuários interessados em um acordo técnico com a JAXA (Agência Espacial
Japonesa). Segundo essas diretrizes, os produtos disponibilizados, no caso
específico PALSAR, necessitam de uma avaliação, tanto temática, como
geométrica.
Dentro do escopo da linha investigativa proposta dessa dissertação pode-se
formular a seguinte hipótese científica: A utilização de dados ALOS/PALSAR
com polarização DUAL, permite a caracterização e o delineamento de classes
de uso e cobertura da terra na região do semi-árido.
1.1 Objetivos
Essa pesquisa teve como objetivo geral avaliar a potencialidade das imagens
duais do sistema sensor ALOS/PALSAR (banda L), para a identificação e
mapeamento temático do uso e cobertura da terra na região semi-árida
brasileira. Adicionalmente, foi realizada também uma avaliação da qualidade
posicional planimétrica do produto ALOS/PALSAR ortorretificado.
3
Como partes fundamentais para atingir o objetivo geral foram desenvolvidos os
seguintes objetivos específicos:
• Desenvolver metodologia de coleta de dados em campo para a
caracterização temática, considerando as características fisionômico-
estruturais dos alvos e sua importância para uma definição e delineamento nos
dados-radar;
• Representar a configuração polarizada (HH/HV) das classes temáticas,
procurando explicar a resposta dos dados SAR em consonância com as
características intrínsecas de cada alvo;
• Gerar um mapa temático de uso e cobertura da terra a partir do melhor
classificador, definido pela análise de desempenho (matriz de confusão e
estatística Kappa) entre classificadores polarimétricos SAR;
• Gerar produto geocodificado a partir dos dados ALOS/PALSAR e verificar a
acurácia planimétrica com a utilização de pontos de controle medidos em
campo com rastreadores GPS.
4
5
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Sensoriamento remoto por RADAR
2.1.1 Conceitos SAR
O SAR (Synthetic Aperture Radar) é um sensor ativo que opera na faixa das
microondas do espectro eletromagnético. O uso do SAR em sensoriamento
remoto tem basicamente duas vantagens: independência das condições de
tempo (as microondas são pouco afetadas por coberturas de nuvens, neblina
ou outras condições atmosféricas, ao contrário das imagens ópticas); a
aquisição de dados pode ocorrer em qualquer horário do dia (RANEY et al.,
1998).
O SAR é capaz de registrar a intensidade e a defasagem da energia
transmitida que foi retroespalhada pelos alvos. Este retroespalhamento SAR é
dependente da combinação de parâmetros inerentes ao sistema imageador,
tais como freqüência, polarização, ângulo de visada e de incidência, e das
características geométricas e elétricas das superfícies dos materiais
imageados, especificamente do grau de rugosidade e da constante dielétrica
(KUPLICH, 2003). Adiante, será discutido como estes parâmetros modificam a
resposta-radar. Uma descrição detalhada sobre a formação das imagens SAR
e a equação radar a qual relaciona o sistema sensor, o alvo e o sinal (emitido e
retroespalhado) podem ser vista em Woodhouse (2006).
2.1.1.1 Freqüência/comprimento de onda
A freqüência (f) é um dos mais importantes parâmetros do imageamento SAR,
sendo que a interação ocorre com alvos cujas dimensões são comparáveis ao
comprimento de onda (λ). A faixa do espectro eletromagnético que abrange as
microondas varia, em comprimento de onda, de aproximadamente 1 mm a 1 m.
Entretanto, a maioria dos sensores de microondas opera no intervalo de 1 cm a
1 m. As principais denominações de bandas utilizadas, o intervalo de
6
comprimento de onda e de freqüência (f) são descritos na
Tabela 2.1 (WOODHOUSE, 2006).
As bandas X, C e L também têm sido amplamente utilizadas, devido
recentemente a uma maior disponibilidade de sensores orbitais com estas
configurações, tais como o TerraSAR, Cosmo Skymed e SAR-Lupe em banda
X; RADARSAT-1/2, ENVISAT, ERS-1/2 e SIR-C em banda C; e JERS-1 e
ALOS/PALSAR em banda L.
Tabela 2.1 - Principais bandas utilizadas em sensores SAR em níveis orbital
e/ou transportado.
Banda λ (cm) f (GHz)
P
L
S
C
X
K
77 – 136
15 – 30
7,50 – 15
3,75 – 7,50
2,40 – 3,75
1,18 – 1,67
0,22 – 0,39
1,0 – 2,0
2,0 – 4,0
4,0 – 8,0
8,0 – 12,5
18,0 – 26,50
Fonte: Adaptada de Woodhouse (2006).
7
2.1.1.2 Polarização
A polarimetria descreve o comportamento do vetor campo elétrico em uma
onda eletromagnética (WOODHOUSE, 2006). Atualmente tem-se empregado
de radares capazes de coletar dados de qualquer uma das quatro combinações
possíveis: HH, HV, VH e VV. A primeira letra indica a polarização de
transmissão e a segunda indica a de recepção, sendo H = Horizontal e V =
Vertical.
A interação da onda eletromagnética com os objetos tem relação direta com a
polarização incidente. Se os objetos na superfície terrestre possuem uma
orientação vertical a interação com microondas verticalmente polarizada será
maior, assim como o eco gerado. Os objetos ou superfícies espalhadoras
podem ter a capacidade de despolarizar a onda incidente e gerar um eco numa
polarização distinta à enviada (KUPLICH, 2003).
2.1.1.3 Ângulo de incidência
O ângulo de incidência é definido pelo ângulo formado entre o feixe de
microondas incidentes e a reta normal estabelecida em relação à terra
(RANEY, 1998). O uso de ângulos de incidência específicos pode auxiliar na
identificação de determinados alvos na superfície terrestre. Geralmente,
menores ângulos de incidência resultam em maior retroespalhamento,
entretanto o retroespalhamento de superfícies muito rugosas não ser
dependente desta variável. Ângulos de incidência elevados determinam uma
maior quantidade do objeto imageado e conseqüentemente, resultam em
menor retroespalhamento (LEWIS et al., 1998; KUPLICH, 2003).
2.1.1.4 Rugosidade
A rugosidade relativa do alvo é definida pela freqüência da onda incidente,
juntamente com o ângulo de incidência, determinando assim o grau de
penetração da onda no alvo. Segundo (LEWIS et al., 1998), uma superfície
8
pode ser considerada lisa, pelo critério de Rayleigh, se obedece a Inequação
2.1. Onde, (r) é altura média das variações da superfície, (λ) é comprimento de
onda e α é o ângulo de incidência.
Desta forma, uma mesma superfície pode ser considerada lisa para um
determinado comprimento de onda e rugosa para outros. Superfícies rugosas
refletem a energia emitida pelo sensor de maneira uniforme para todas as
direções. Já as superfícies consideradas ligeiramente rugosas possuem uma
direção preferencial de reflexão, sendo que as superfície lisas refletem a
energia especularmente.
2.1.1.5 Constante dielétrica
A constante dielétrica influencia fortemente a interação da radiação
eletromagnética com a superfície do terreno (LEWIS et al., 1998), ou seja, o
sinal de retroespalhamento é influenciado pela umidade do solo e da
vegetação. Um elevado conteúdo de umidade resulta em uma constante
dielétrica alta, e conseqüentemente reduz a penetração do feixe radar abaixo e
através da vegetação. Uma elevada constante dielétirca implica em uma alta
refletividade e potencialmente um alto retorno de sinal. Por sua vez, o conteúdo
de umidade baixo implica em uma constante dielétrica baixa e um baixo sinal
de retorno, exceto em caso de solos muito secos, pode ocorrer uma maior
penetração na superfície. Este fato torna relevante conhecer as condições
climáticas antecedentes à data de aquisição dos dados de radar, pois um
conteúdo maior de água nos materiais pode induzir um retorno maior da onda
retroespalhada.
(2.1)
9
2.1.1.6 Geometria do alvo
A direção do feixe de microondas e a posição relativa do alvo podem alterar o
retroespalhamento. Feições com direção perpendicular ou com ângulo agudo
com a direção de visada são realçadas pelo efeito de “luz e sombra”. Já as
feições orientadas paralelamente com a direção de visada não produzem
realces nem sombras, de forma que estas são mascaradas nas imagens de
radar (KNUST, 2007).
2.2 Métodos de Classificação SAR
As técnicas de classificação consistem na rotulação dos pixels de uma imagem
de entrada associando-os a determinadas classes, de acordo com certos
critérios de decisão adotados (SCHOWENGERDT, 2007). Os classificadores
podem ser estruturados para realizarem a classificação pixel a pixel, quando
então são chamados de pontuais, ou podem atuar sobre um conjunto de pixels
que conservem algum parâmetro de similaridade, sendo neste caso chamados
de classificadores por região (FREITAS et al., 2007). Dentre os vários
classificadores para tratar os dados-radar destacam-se:
2.2.1 MAXVER-ICM
De acordo com Correia (1998) e Vieira (1996), esta técnica se baseia na
formulação Bayesiana tendo como diferencial a adoção de funções de
densidades de probabilidade mais apropriadas para modelar a natureza dos
dados de radar e a incorporação da informação contextual considerando uma
distribuição espacial para as classes, adotando conceitos de campos aleatórios
markovianos.
Em Vieira (1996) e Correia (1998) foram apresentadas abordagens de
classificações estatísticas específicas para dados SAR. Estas abordagens
consistem na aplicação combinada dos algoritmos MAXVER (Máxima
Verossimilhança) (FREITAS et al., 2007) com múltiplas fontes de evidências
10
estatísticas, e ICM (Iterated Conditional Modes). Como resultante do trabalho
de Correia (1998), foram implementados algoritmos baseados nas distribuições
de dados polarimétricos para: par de intensidades, diferença de fase, razão de
intensidades, par intensidade-diferença de fase, imagem multipolarimétrica
completa, imagem em amplitude e imagem em amplitude multivariada.
Correia (1998) obteve resultados satisfatórios da classificação MAXVER-ICM a
partir das imagens polarimétricas da missão SIR-C/X-SAR nas bandas L e C,
do Projeto de Irrigação de Bebedouro, próximo à cidade de Petrolina-PE. A
classificação ICM par-intensidade LHVVV apresentou um coeficiente de
concordância superior às demais, em média, 31,44% melhor que as demais
classificações, possibilitando uma melhor distinção entre corpos d’água,
caatinga, soja, milho e restolho.
Silva (2007) utilizou o classificador MAXVER-ICM e combinações de duas
polarizações (VV-HH, HH-HV, VV-HV) em amplitude da banda L na
discriminação de alvos agrícolas. Os autores mostram que a combinação VV-
HH apresentou o melhor resultado, com acerto para a classe café de 98,5%.
Guerra (2008), utilizando o classificador MAXVER-ICM e dados
multipolarizados do sensor SAR R99-B/CENSIPAM, afirma que quando os
canais são combinados aos pares, o ganho de informação é significativo. A
informação contida no par de amplitudes HH/HV apresentou boa acurácia para
separar as classes de incremento de desflorestamento e floresta na Amazônia
(Kappa = 0,68).
2.2.2 Wishart
O Classificador supervisionado de Wishart é um algoritmo de máxima
verossimilhança baseado na distribuição complexa de Wishart da matriz de
covariância. Uma descrição completa sobre o classificador de Wishart pode ser
encontrada em Lee (1994); Lee et al. (1999).
11
No trabalho de Chen et al. (2007), foram utilizados dados duais multi-temporais
do Envisat/ASAR, fazendo uso do classificador de Wishart para mapear
culturas de arroz na província de Jiansang na China. Os autores destacaram
que a acurácia da classificação foi melhorada quando utilizados dados multi-
temporais em comparação àquela obtida em única data.
Pottier et al. (2009) demonstraram que, na classificação utilizando dados duais
em banda L, a de diferença de fase entre os canais HH e VV permitiu distinguir
entre classes de uso do solo na região de Flevoland na Holanda.
2.3 Uso de dados de polarização dual
A seleção da freqüência do radar e da polarização são dois importantes
parâmetros em uma missão SAR. Os principais sistemas em operação
(ALOS/PALSAR, TERRASAR-X, e RADARSAT-2) podem coletar as quatro
polarizações, entretanto o modo de aquisição padrão se restringe a polarização
single e dual.
Em seus estudos, Ainsworth et al. (2009) afirmam que a informação contida na
polarização dual do PALSAR é suficiente para um mapeamento e aplicações
no bioma de floresta boreal. Mesmo que a informação contida na polarização
(HH-HV) não possibilite uma clara distinção entre espalhamento superficial e
diedro, está informação é pouco importante para classificação de florestas,
uma vez que o espalhamento dominante em florestas é o volumétrico.
McNairn et al. (em preparação) mostraram que a polarização dual (VV-VH) tem
melhores resultados para a discriminação de alvos agrícolas na banda C,
apesar da polarização HH ser útil na distinção de classes de uso do solo.
12
2.4 Sensoriamento remoto por radar em regiões semi-áridas
Poucas experiências com a utilização de dados SAR foram realizadas no semi-
árido brasileiro. Dentre os trabalhos, pode-se citar o de Rennó (1995), que
avaliou o uso de medidas texturais em classificadores nos dados SIR-C/X-SAR,
bandas L e C, e polarizações HH, HV e VV. Neste estudo chegou-se à
conclusão de que a informação de textura em imagens SAR pode ajudar na
distinção de alvos agrícolas.
Em uma região semi-árida da Bahia, Silva (2007) mostrou que a utilização de
imagens SAR multi-polarimétricas da banda L e classificadores MAXVER/ICM,
possuem potencialidade na discriminação de alvos agrícolas.
Knust (2007) avaliou o potencial geológico de imagens Radarsat-1 na
identificação de unidades litológicas com diferentes ângulos de visada no vale
do Rio Curaçá, região semi-árida da Bahia. Neste estudo, ao utilizar a técnica
de principais componentes, verificou-se que as imagens com ângulos de
incidência maiores e com órbita descendente produziram melhores resultados
na separabilidade dos litotipos.
Em experiências com dados SAR em outras regiões semi-áridas no mundo,
Zribi et al., (2003), por meio de classificadores não supervisionados e inversão
de modelos que estimam valor do coeficiente de retroespalhamento a partir da
soma das contribuições da vegetação e solo exposto, obtiveram o mapa de
cobertura de vegetal no norte da África, com acurácia de 85% utilizando dados
ERS-1.
Smara et al., (1998) utilizaram componentes principais e IHS como técnicas de
fusão de dados SAR/ERS-1 e ópticos (TM/LANDSAT E SPOT) e métodos de
classificação não supervisionados para avaliar cobertura vegetal na Argélia. Os
resultados obtidos foram analisados tendo como referências fotografias aéreas
13
e mapa de cobertura vegetal da área em estudo, indicando uma boa correlação
com os diferentes tipos de uso e cobertura da terra.
Kwarteng et al., (2008) utilizaram dados do ERS-1/2 na polarização VV e
RADARSAT-1 na polarização HH adquiridos no período de 1996 a 1999, no
mapeamento do uso e cobertura da terra em uma região árida do Kuwait. A
avaliação do potencial de combinação destes dados foi realizada por meio da
classificação MAXVER com a definição de 13 classes e a incorporação de
dados auxiliares, como mapa de solos e sedimentos superficiais. A acurácia
global da classificação ficou entre 70 e 80% quando foram utilizadas apenas
duas classes (cobertura vegetal baixa versus alta ou solo rugoso ou liso).
2.5 Caracterização do sistema ALOS/PALSAR
O sistema sensor ALOS (Advanced Land Observing Satellite), lançado em
janeiro de 2006, é um projeto conjunto entre a JAXA (Japan Aerospace
Exploration Agency) e a JAROS (Japan Resources Observation System
Organization). Este sistema orbital leva a bordo três instrumentos de
sensoriamento remoto: PRISM (Panchromatic Remote-sensing Instrument for
Stereo Mapping) visando à produção de DEM (Digital Elevation Model) com
uma resolução de 2,5 m; AVNIR-2 (Advanced Visible and Near-Infrared
Radiometer type 2), para observação da terra com resolução da 10 m e o
PALSAR (Phased Arrayed type L-Band SAR), um radar imageador para
observação da Terra em qualquer condição atmosférica, de iluminação e com
resolução variada.
O PALSAR possui a capacidade de imagear off-nadir entre 9,9º - 50,8º em 18
diferentes posições, podendo operar em cinco diferentes modos de operação:
Fine Beam Single polarization (FBS); Fine Beam Dual Polarization (FBD);
Polarimetric mode (Pol); ScanSAR mode e Direct Transmisson mode (DT). As
características do instrumento ALOS/PALSAR são apresentadas na Tabela 2.2.
14
Tabela 2.2 - Características do instrumento PALSAR.
ALOS PALSAR
Dimensões da antena 8,9 m x 3,1 m
Freqüência Central 1270 MHz / 23,6 cm (Banda L)
Chirp Bandwidth 28 MHz (FBS, ScanSAR)
14 MHz (FBD, POL, ScanSAR)
Modos de Imageamento Fine beam mode (FBS, FBD):
• Single polarization (HH ou VV)
• Dual pol. (HH/HV ou VV/VH)
Polarimetric mode (POL):
• Quad-pol. (HH/HV/VH/VV) ScanSAR mode:
• Single Polarization (HH ou VV)
• No. sub-beams: 3,4 ou 5
• Short (14 MHz) ou long (28
Mhz) Direct Transmisson (DT) mode:
• FB Single pol (14 MHz)
• ScanSAR (14 MHz)
Largura da faixa de imageamento 70 km (FBS, FBD @34,5º)
30 km (POL @21,5º)
360 km (ScanSAR 5-beam)
Off nadir angle Variável: FBS/FBD: 9,9º-50.8º
POL: 9,7º-26,2º
Fixo: ScanSAR: 20,1º-36,5º (beam 1-
5)
Direção de visada Direita
Ground resolution
Ground Range (1 look) x
10 m x 10 m (FBS @34,3º)
20 m x 10 m (FBD @34,3º)
31 m x 10 m (POL @21,5º)
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Azimute (2 looks) ~ 71-151 m (4 looks) x 100 m (2 looks)
(ScanSAR 5-
beam)
Data rate 240 Mbps (FBS, FBD, POL, ScanSAR-
long)
120 Mbps (DT, ScanSAR-short)
Fonte: Adaptada de Rosenqvist et al. (2008).
16
17
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capitulo são apresentados a área de estudo, os dados, aplicativos e os
procedimentos metodológicos do levantamento de campo, bem como as
classificações realizadas nas imagens-radar utilizadas.
3.1 Área de estudo
A área de estudo deste trabalho está situada no sertão pernambucano, entre
os municípios de Carnaubeira da Penha, Floresta, Mirandiba, São José do
Belmonte e Serra Talhada. Com uma área total de 1560 km2 e entre as
latitudes S 08° 03’’ a S 08° 19’’ e as longitudes W 38° 21’’ a W 38° 47’’. A
Figura 3.1 mostra a localização geográfica da área de estudo.
Figura 3.1 – Localização geográfica da área de estudo, imagem TM/LandSat 5 (composição colorida RGB543, de 01/11/2008).
De acordo com a classificação de Köppen, o clima da região é o tropical semi-
árido quente e seco, com chuvas de verão, apresentando temperatura média
anual acima de 25º C e pluviosidade média anual de 650 mm com chuvas
irregulares (RADAMBRASIL, 1981).
18
O relevo predominante da região é o suave ondulado, cortado por alguns vales
estreitos, com vertentes dissecadas. Observam-se elevações residuais, cristas
ou colinas que pontuam a linha do horizonte.
A vegetação dominante na região é do tipo “Caatinga”, constituída por
bromeliáceas e cactáceas, enquanto nos vales e ao longo dos rios ocorrem
árvores de médio porte como angico, baraúna e aroeira. Nas regiões mais
elevadas ocorrem manchas de vegetação arbórea.
Com relação às características socioeconômicas da região, observa-se uma
predominância de uma pecuária extensiva, com destaque para a criação de
caprinos e agricultura de subsistência com o plantio de milho, feijão, mandioca,
algodão e alguma agricultura irrigada nas proximidades de reservatórios.
3.2 Características da Imagem ALOS/PALSAR
Neste trabalho foi utilizada uma cena do ALOS/PALSAR (Figura 3.2), banda L,
no modo de aquisição Fine Beam Dual (FBD) e nível de operação 1.1. A
Tabela 3.1 apresenta as principais características da imagem ALOS/PALSAR
empregada.
Tabela 3.1 – Principais características da imagem ALOS/PALSAR utilizada.
Formato SLC (Single Look Complex) Modo de Aquisição Fine Beam Dual (FBD) Polarização HH/HV Data de Aquisição 30/05/2008 Órbita/Frame 12500/7020 Resolução Espacial 20 m (alcance - 1 look) x 10 m (azimute - 2 look) Espaçamento entre Pixels 9.3685143 m (alcance) x 3.1894556 m (azimute)
Ângulo de Incidência 38.798º Ângulo Off-Nadir 34.3º Altitude do Sensor 699.65 km Passagem Ascendente
19
(a) (b)
(c) (d) Figura 3.2 – Imagens ALOS/PALSAR da área de estudo: (a) amplitude HH, (b)
amplitude HH*HV, (c) amplitude HV e (d) composição colorida com as amplitudes R(HH)G(HH*HV)B(HV);
20
3.3 Aplicativos utilizados
Para o desenvolvimento deste trabalho foram utilizados os seguintes
aplicativos:
• PolSARpro 4.0;
• Envi 4.7;
• Classificador Polarimétrico 0.7;
• SARscape 4.2.
O Aplicativo PolSARpro 4.0 foi utilizado para a geração da matriz de
covariância, reamostragem por média espacial (multilook) e classificação pelo
método de Wishart. O aplicativo Envi 4.7 foi utilizado para a realização da
filtragem das imagens e geração das imagens amplitude. O Classificador
Polarimétrico 0.7 foi utilizado para a geração das classificações MAXVER-ICM.
A geocodificação das imagens-radar foi realizada no aplicativo SARscape.
3.4 Dados auxiliares
3.4.1 Dados Pluviométricos
É de grande importância conhecer as condições climáticas antecedentes à data
de aquisição dos dados de radar, uma vez que a constante dielétrica sofre
influência da umidade do solo e da vegetação devido à ocorrência de
precipitação.
Assim, procedeu-se à aquisição dos valores de precipitação acumulada oriunda
da estação pluviométrica Serra Talhada (ITEPE, 2009), localizada na latitude
S 7º 55’ 50” e longitude W 38º 17’ 19”, distando aproximadamente 40 km do
centro da área de estudo. A Figura 3.3 apresenta a precipitação acumulada
obtida no mês de maio de 2008 pela estação pluviométrica de Serra Talhada.
Observa-se que nos três dias anteriores à aquisição da imagem (30/05/2008)
foram registradas respectivamente as seguintes precipitações: 8.3, 2.8 e 0 mm.
Com base na avaliação dos resíduos entre as coordenadas obtidas na imagem
ortorretificada e os pontos homólogos obtidos em campo (Tabela 4.5) e suas
estatísticas, foram calculados no aplicativo GEOPEC, os testes de tendência e
precisão de acordo com o Decreto-Lei nº 89.817 (BRASIL, 1984) para a análise
preliminar do PEC. Os testes foram realizados para a escala padrão de
1:100.000 e os testes de tendência e precisão com nível de significância de
10%. De acordo com os resultados obtidos, o produto foi classificado no PEC
classe A para a escala 1:100.000. Ficando dentro das expectativas para um
produto com resolução espacial de 20m e que sofreu degradação devido aos
processamentos aplicados. Ver no Apêndice C o relatório de processamento.
Numa outra abordagem utilizada pela comunidade cartográfica internacional,
através do critério do CE90, que representa o raio do circulo no qual se tem a
probabilidade de 90% dos pontos testados estarem contidos neste circulo, o
produto ALOS/PALSAR ortorretificado mostrou possuir um Erro-Médio-
Quadrático foi de 13.90m, obtendo-se, por conseguinte o valor de erro-circular
de 29.89 m.
47
5 CONCLUSÕES
Este trabalho teve como objetivo investigar o comportamento dos dados
PALSAR com relação aos alvos do ambiente semi-árido. A metodologia de
coleta de dados em campo, com a utilização de transectos e pontos de
observação, mostrou-se suficientemente adequada para subsidiar a análise
advinda dos dados-radar. Por sua vez, os dados banda L mostraram potencial
discriminatório, em determinado nível, na caracterização de fácies de caatinga
e demais classes de uso da terra presentes nessa região de abrangência de
Serra Talhada (PE).
A sensibilidade dos dados-radar na banda L e na polarização dual (HH e HV),
particularmente perante a estrutura da vegetação de caatinga, mostra o quanto
é complexa tal interação, e conseqüente a interpretação de resultados. Como
são sutis as variações estruturais no contato entre as várias fácies dessa
vegetação do semi-árido, as abordagens classificatórias MAXVER-ICM e
Wishart utilizadas mostraram-se relativamente eficientes, dentro das limitações
impostas pelas componentes disponíveis de base dual. Isso reporta, numa
perspectiva de prosseguimento de linha investigativa, no uso de dados full
polarimétrico, o que provavelmente permitirá explorar com mais propriedades
as diversas variáveis coerentes e incoerentes dos atributos do ALOS/PALSAR.
Considerando os resultados alcançados no presente estudo, visto que a
comunidade de usuários terá como produto-padrão advindo da cooperação
FIBGE e JAXA imagens em modo dual, o uso do conjunto de componentes
[AHH, AHV, AHH*HV] e do classificador MAXVER-ICM permitirá obter informações
contextuais dos temas básicos da região semi-árida.
Em termos da aplicação do produto ALOS/PALSAR ortorretificado, utilizando
as informações de efemérides, DEM SRTM e a não inclusão de pontos de
controle, foi constatada numa análise preliminar do PEC classe A, a acurácia
posicional planimétrica é adequada ao uso dos dados na escala de 1:100.000.
48
Entretanto, esta análise foi realizada com poucos pontos, sugere-se a
realização de experimentos com uma quantidade maior de amostras e uma
distribuição homogênea na imagem.
Outro ponto importante a ser considerado, sobretudo quando se desejar uma
discriminação temática mais detalhada do que a obtida nesse trabalho, é o uso
conjunto de imagens PALSAR em distintos períodos sazonais, o que permitirá
identificar novas configurações no que se refere aos atributos espaciais
ocupados pelas classes de uso e cobertura da terra, facilitando melhor
discussão numa análise exploratória e conseqüente, numa abordagem
classificatória com maior acurácia. Recomenda-se também para trabalhos
futuros o uso de variáveis de textura, diferentes ângulos de incidência e a
avaliação dos dados em termos de quantificação de desmatamentos no
ambiente de caatinga.
49
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APÊNDICE A – DADOS DO POSTO PLUVIOMÉTRICO SERRA TALHADA MÊS DE MAIO DO ANO DE 2008.
Tabela A.1 – Dados de precipitação diária do posto pluviométrico de Serra
DADOS DO PRODUTO CARTOGRÁFICO -------------------------------------------------------------------------- Produto Analisado: ALOS/PALSAR Local: Data: Responsável Técnico: -------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------
INFORMAÇÕES ESPECÍFICAS DO PROCESSAMENTO -------------------------------------------------------------------------- Escala de Referência: 1/100000 Equidistância das curvas de nível: 0 Nível de Significância (Planimetrico): 90% (a=0,100) Nível de Significância (Altimétrico): ---- Nº Total Pontos de Controle: (Planimetrico)= 7 (Altimetrico)= 0 Nº Pontos Processados: (Planimetrico)= 7 (Altimetrico): 0 -------------------------------------------------------------------------- Coordenada Este (m): Média: 2,8981 Desvio Padrão: 10,1704 RMS: 9,8519 Teste de Tendência: t calculado: 0,7539 t tabelado: 1,9432 Situação: Sem Tendência Teste de Precisão: Qui-quadrado calculado: Classe A=1,3792 Classe B=0,4965 Classe C=0,3448 Qui-quadrado tabelado: 10,6 -----------------------------------------------------------------------
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--- Coordenada Norte (m): Média: 3,0603 Desvio Padrão: 10,0674 RMS: 1,9779 Teste de Tendência: t calculado: 0,8043 t tabelado: 1,9432 Situação: Sem Tendência Teste de Precisão: Qui-quadrado calculado: Classe A=1,3514 Classe B=0,4865 Classe C=0,3378 Qui-quadrado tabelado: 10,6 --------------------------------------------------------------------------
RESULTADOS GERAIS -------------------------------------------------------------------------- Resultante Planimétrica (m): Média: 12,5209 Desvio Padrão:6,528 RMS: 13,9032 Teste de Tendência: Situação: Sem Tendência Teste de Precisão: Situação: Classe A -------------------------------------------------------------------------- Resultante Altimétrica (m): Média: 0 Desvio Padrão: 0 RMS: 0 Teste de Tendência: t calculado: 0 t tabelado: 0 Situação: Tendência NÃO CALCULADA Teste de Precisão: Qui-quadrado calculado: Classe A=0 Classe B=0 Classe C=0 Qui-quadrado tabelado: 0 Situacao: Classe NÃO CALCULADA -------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------- CLASSIFICACAO DO PRODUTO CARTOGRÁFICO -------------------------------------------------------------------------- O produto: "ALOS/PALSAR", de acordo com o decreto-lei nº. 89.817 de 20 de junho de 1984, que regulamenta as normas cartográficas brasileiras, encontra-se classificado com Padrão de Exatidão Cartográfica Classe A para uso planimétrico e Classe NÃO CALCULADA para uso altimétrico. Quanto à analise de tendência nas componentes posicionais do produto, temos: Sem Tendência para o uso planimétrico e, Tendência NÃO CALCULADA para o uso altimétrico. --------------------------------------------------------------------------