Meteorologia por satélites XVIII CBMET Dr. Renato Galante Negri Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais / Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos / Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (DSA/CPTEC/INPE) Recife, PE 05 de novembro de 2014
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Meteorologia por satélites
XVIII CBMET
Dr. Renato Galante Negri
Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais /
Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos / Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
(DSA/CPTEC/INPE)
Recife, PE
05 de novembro de 2014
A estrutura de uma imagem de satélite.
Informações físicas dos canais espectrais
dos satélites – sensores: GOES, MSG-
SEVIRI, Aqua/Terra-MODIS, NOAA-
AVHRR, TRMM, SSMI/S.
Reconhecimento de alvos: classificação de
imagens.
ESTRUTURA DE UMA IMAGEM
DE SATÉLITE
Satélites Meteorológicos
O que eles mede;
Principais componentes;
O que é uma imagem de satélites;
Tipos de órbitas e varreduras;
Características principais de uma imagem.
Um satélite mede radiação que “sai” do planeta
radiação solar (“onda curta”):
ela é refletida pelo planeta
= radiação UV
= radiação visível
= infravermelho próximo
outra visível: relâmpagos, focos de
queimadas, cidades
radiação térmica (infravermelha)
emitida pelo planeta
radiação de microondas
emitida pelo planeta
•UV •VIS •IV próximo
•microondas •termal
O que os satélites medem?
A medida é realizada através de sensores à bordo dos satélites
Como eles medem?
irradiância E = fluxo / área = dF/dA (W/m2)
radiância L = flujo/área normal-ángulo sólido
= dF/dA-d (W/m2-ster)
grandezas espectrais
irradiancia E = dE/ d
radiancia L = dL/ d
Medição por um sensor
• Fluxo de radiação dF (em W)
• sensor com área dA (em m2)
• dentro de ângulo sólido d (ster),
• filtro com largura espectral d
Informação digital: o que é isso?
Plano de
varredura
Plano do
equador
Centro da Terra
(sul)(Leste)
Plano de
varredura
Plano do
equador
Centro da TerraCentro da Terra
(sul)(Leste)
(sul)(Leste)
Esquema de leitura de informação no GOES
Imager. A imagem da Terra vai sendo varrida
linha-a-linha.
varredur
a
Disposição de sensores VIS (amarelos) e
IR (vermelhos). Os sensores VIS “vêem”
segmentos de 1 km na Terra; os IR vêem 4
km. Os sensores estão organizados em
duas fileiras.
Radiância L incide num sensor com área
dAn dentro de um ângulo sólido d , ou
seja um fluxo F → corrente → voltagem
filtrosensor
colimadorTensão
(volts)
espectro d
e radia
ção filtro
sensor
colimadorTensão
(volts)
filtrosensor
colimadorTensão
(volts)
espectro d
e radia
ção d dAn L
fluxo
O GOES transmite informação sobre a voltagem
digitalizada em 10 bits (níveis de cinza 0 a 1023).
O MODIS tem 12 bits (níveis 0 a 4095)
radiância
volta
gem
calibração
Uma imagem digital é um
arquivo de números,
organizados segundo
uma matriz retangular:
• M linhas X N colunas
• Números entre 0 e
1023
A matriz retangular é uma
“projeção satélite” vista
pelos sensores
Com a matriz de MxN pixels, cada um com níveis
padronizados entre 0 e 255 (níveis de cinza ou
“counts”), podemos criar um arquivo gráfico (.GIF,
.JPG, etc.) que visualiza a imagem de satélite (p.ex.,
a imagem que serve de fundo à esquerda,
corresponde ao canal visível do GOES 12).
também:
Projetar a matriz de MxN pixels (ou parte dela) em
outras coordenadas, por exemplo coordenadas
retangulares (Mercator, ou lineares em latitude e
longitude)
Tipos de Órbitas
Geoestacionária:
• ALTITUDE: ~36.000 km
• Área de observação é sempre a mesma
• Meteorológicos e de Comunicação
Polar e Equatorial
• ALTITUDE: 250 – 800 km
• VELOCIDADE: ~ 27000km/h
• Sensoriamento Remoto e Meteorológicos
•Alta resolução espacial mas baixa resolução temporal
Tipos de Varreduras do Satélite
Resolução:
• Espacial
• Temporal
• Espectral
• Radiométrica
Principais características de uma imagem de Satélite
IASI
AMSU-A
MHS
HIRS/4
AVHRR/3
Campo de visão (FOV - Fields Of View) dos Instrumentos
Resolução Espacial é a capacidade do detector em distinguir objetos na superfície terrestre;
A resolução espacial de um detector é expressa em termos do seu campo instantâneo de visada ou IFOV (“instantaneous field of view”);
O IFOV define a área do terreno focalizada a uma dada altitude pelo instrumento sensor, ou seja, é o “tamanho do pixel”.
Resolução Temporal É o tempo de retorno da plataforma no mesmo lugar; quanto maior este tempo, pior a resolução temporal.
A aquisição de imagens de resolução espacial muito fina significa geralmente um tempo de retorno mais longo.
Resolução Espectral É a largura das bandas espectrais nas quais as imagens são adquiridas;
quanto menor a banda espectral, melhor a resolução.
8 bits 4 bits 2 bits 1 bit
Resolução Radiométrica é dada pelo número de valores digitais representando níveis de cinza usados para expressar os dados coletados pelo sensor.
Quanto maior o número de valores, maior é a resolução radiométrica => mais detalhes dos alvos.
O número de níveis de cinza é comumente expresso em função do número de
dígitos
binários (bits) necessários para armazenar, em forma digital, o valor do nível
máximo.
O valor em bits é sempre uma potência de 2. Assim, 5 bits significam (2)5= 32
níveis de cinza.
SEVIRI/Meteosat Second Generation (MSG)
INFORMAÇÕES FÍSICAS DOS
CANAIS ESPECTRAIS
A partir dessas características
pode-se obter vários resultados
(produtos) por satélites.
Refletâncias típicas
A determinação da natureza dos alvos pelos métodos de sensoriamento remoto é baseada no fato de que:
“Diferentes materiais são caracterizados por reflectâncias (ou radiâncias) distintas em cada banda do espectro eletromagnético”.
Conhecendo as respostas espectrais de vários materiais, as propriedades de alvos desconhecidos podem ser determinadas pela comparação das respostas espectrais desses alvos com os dados de referência.
Princípios Físicos do Sensoriamento Remoto
Características espectrais
A informação é digital e multiespectral
N IMAGENS ESPECTRAIS
OBTIDAS SIMULTANEAMENTE
CADA ELEMENTO ESPACIAL TEM
UM ESPECTRO CONTINUO
CARACTERÍSTICO UTILIZADO
PARA ANALISAR A SUPERFICIE E A
ATMOSFERA
ATMÓSFERA
SUELO
AGUA
VEGETACIÓN
SOLO
VEGETAÇÃO
Fumaça, partículas grandes
Nuvem Zona quente
Fumaça, partículas pequenas
Incêndio
Sombra
Pastura Lago
Solo
Informação espectral do AVIRIS (224 canais
no espectro solar)
para una cena que contém solo, água,
nuvens, fumaça e fogo
Imagem AVIRIS: Linden, CA 20 ago. 1992
224 bandas espectrais: 0,4 a 2,5 m
Píxel: 20 x 20 m Cena: 10 x 10 km Assinaturas espectrais de píxels seletos
Re
fleta
nc
ia a
pa
ren
te
Comprimento de onda (nm)
Nuvens e a radiação eletromagnética
disponível no sistema Terra/Sol
O pico de emissão de REM do Sol está localizado em torno de 0.65
μm enquanto que a Terra, dada sua temperatura termodinâmica, emite
em máxima intensidade em aproximadamente 11 μm.
solsol
Fator de refletância (ou albedo): F = L / S
Irradiância incidente no topo: S . cosZo
Irradiância emergente no topo: E = f L
Refletância da Terra: R = f F / cosZo
Canais no espectro solar: refletem
radiação
Ângulo
zenital
Zo
S L
Uma porção é absorvida pelas gotículas e
cristais de gelo e outra é transmitida para
alvos abaixo da nuvem (superfícies ou outras
nuvens.
O efeito desses processos é resfriamento
radiativo devido albedo das nuvens
Efeito mais intenso em 3.9 μm
Quando o ângulo zenital solar atinge certos
limiares, o espalhamento p/ frente (Mie) da
radiação visível pelos aerossóis permite
identificar névoa seca e fumaça
Esquema geral em “ondas
curtas” (radiação solar) Esquema geral em “onda longa”
(radiação térmica”)
As nuvens atuam absorvendo grande parte da energia emitida pela superfície
terrestre e nuvens em camadas inferiores.
O espalhamento existe, mas é desprezível (exceto em microondas)
São responsáveis pelo aquecimento devido ao “efeito estufa”.
Ex. Se a atmosfera não existisse, a temperatura da superfície terrestre oscilaria entre
XX e YY ºC
Canais no espectro Terrestre: emitem radiação
Ch1 - 0,6 μm VIS brilhante em nuvens
Ch2 - 0,8 μm NIR brilhante em vegetais
Ch3 – 1,6 μm NIR brilhante em solo nu
Canais MSG no espectro solar resolução 3 km no nadir