Avaliao comparativa de correo atmosfrica de ... ? Em 21/01/2012 foram colhidas amostras

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    17-Sep-2018

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Avaliao comparativa de correo atmosfrica de imagens Landsat utilizando MODTRAN e Dark Object Subtraction Daniel Gomes 1 Luiz Eduardo Vicente 1 Stella Carvalho 2 Daniel Victoria 1 Ricardo Guimares Andrade 1 Maurcio Lopes Agnese 3 Ramon Felipe Bicudo da Silva 3 1 Embrapa Monitoramento por Satlite Av. Soldado Passarinho, 303 13070-115 Campinas, Brasil {danielgomes, vicente, daniel, ricardo}@cnpm.embrapa.br 2 Pontfica Universidade Catlica de Campinas Rodovia Dom Pedro I, km 136 13086-900 Campinas, Brasil stella@cnpm.embrapa.br 3 Universidade Estadual de Campinas Cidade Universitria Zeferino Vaz 13083-970 Campinas, Brasil {mauricio, ramon}@cnpm.embrapa.br Abstract. Remote sensing by spectral imaging of the Earth's surface can be widely used, but only when the atmospheric influence is nullified and the data are reduced to surface reflectance units. The atmospheric correction referred to here is an atmospheric "compensation" or "characterization" in which algorithms are used in remote sensing applications for hyper and multispectral images to correct atmospheric propagation effects in measurements taken by airborne and orbital systems. The remission of atmospheric effects guarantees the identification of biophysical properties of the targets and their isonomic relationship with spectroradiometric databases, thus enabling the application of sophisticated classification methods such as linear Spectral Mixture Analysis models (SMA) and Spectral Indexes. Based on this premise, the objective of this article is to compare the atmospheric correction used in the MODTRAN model with that used in the Dark Object Subtraction (DOS1) and Improved Dark Object Subtraction (DOS2) models in order to verify which approach shows better correspondence with reference spectral libraries. We used spectral data on tropical crops obtained using the spectroradiometer. Due to the difficulty in obtaining data on atmospheric conditions, especially for tropical regions, and the difficulty in accessing the most reliable correction procedures, corrections are sometimes disregarded or even based on extremely simple methods which may produce radiance and reflectance estimation errors even greater than those of the original images. MODTRAN presented the most consistent results, especially with regard to season variation and the presence of haze (low contrast) in some images due to the high aerosol concentration. Methods DOS1 and DOS2, in spite of their good performance in band 5 (1.55 1.75 m), have not been effective in the suppression of effects related to atmospheric absorption. Palavras-chave: Atmospheric correction, MODTRAN, Dark Object Subtraction (DOS1), Improved Dark Object Subtraction (DOS2), Correo atmosfrica, MODTRAN, Subtrao de Objeto Escuro (DOS1), Subtrao de Objeto Escuro Melhorada (DOS2). 1. Introduo Os principais efeitos observados nas imagens de satlite, devido presena da atmosfera entre o sensor e a superfcie terrestre, so a diminuio da faixa de valores digitais possveis registrados pelo sensor, diminuio do contraste entre superfcies adjacentes e alterao do brilho de cada ponto da imagem. Os gases, principalmente vapor dgua, oxignio, oznio e dixido de carbono e, os aerossis (pequenas partculas em suspenso) refletem , refratam, absorvem e espalham a radiao desde quando ela atinge a atmosfera at quando a deixa, depois de refletida pelo solo (Zullo Jr., 1994). A supresso dos efeitos da atmosfera garante a identificao de propriedades biofsicas dos alvos e sua relao isonmica entre bases de dados espectrorradiomtricos, possibilitando a aplicao de mtodos de classificao sofisticados como Modelos Lineares de Mistura Espectral (MLME) e ndices espectrais (Vicente, 2007). Existem diversos mtodos para correo do espalhamento atmosfrico na literatura os quais podem ser aplicados tanto para imagens de satlite multiespectrais quanto hiperespectrais, sendo possvel dividi-los em mtodos alternativos e mtodos fsicos. Os mtodos alternativos no dependem de parmetros atmosfricos ou de dados da superfcie, e sim das informaes da prpria imagem, utilizando nmeros digitais (DNs do ingls digital numbers) que so caractersticas inerentes dos pixels e representam feies especficas para determinar a contribuio da atmosfera em cada banda espectral (Lu, et al., 2002). Porm, uma de suas limitaes consiste na exigncia de alvos especficos nas imagens analisadas, tais como, corpos dgua que absorvem a maior parte da radiao incidente no mesmo (Chavez Junior, 1988). Nos mtodos fsicos, crucial o conhecimento das propriedades ticas da atmosfera bem como do processo de interao da radiao com a atmosfera e com a superfcie. Dentre os cdigos de transferncia radiativa atmosfrica os mais difundidos so: 5S (Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum), 6S (Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum), LOWTRAN e MODTRAN (Moderate Resolution Atmospheric Radiance and Transmittance) (Latorre et al., 2002). Para garantir a eficincia de uma correo atmosfrica por mtodos fsicos, como o MODTRAN, so necessrios parmetros que forneam dados reais das condies atmosfricas do dia em que a imagem de satlite foi capturada. Esses parmetros correspondem aos dados de coordenadas geogrficas, altitude, coluna de vapor dgua, profundidade ptica das nuvens, aerossol, quantidade de CO2 na atmosfera, data da passagem do satlite e horrio de voo. A dificuldade de obteno dos dados de condio atmosfrica, principalmente para regies tropicais, e a dificuldade em acessar os procedimentos mais confiveis de correo faz com que ela seja muitas vezes desconsiderada, ou se baseie em mtodos muito simplificados que podem produzir erros de estimativa da radincia e da reflectncia at superiores ao das imagens originais. A despeito de relevantes trabalhos comparativos sobre as virtudes e limitaes dos mtodos de correo atmosfrica de imagens de satlite (Sanches et al., 2011; Couto Junior et al., 2011; Souza et al., 2011), a escassez de medidas espectrorradiomtricas de campo tem limitado anlises quantitativas mais efetivas em condies tropicais. Assim, o presente trabalho visa avaliar a eficincia dos mtodos de correo atmosfrica DOS em relao ao modelo MODTRAN quanto aplicao no mapeamento de alvos agrcolas, utilizando dados espectrorradiomtricos de referncia, comparativamente com dados espectrais Landsat TM 5. 2. Materiais e Mtodos 3.1 Bases de dados Para o desenvolvimento do trabalho comparativo foi utilizada uma imagem do satlite Landsat 5 sensor TM com resoluo espacial de 30 metros, de rbita e ponto 225-74. As coordenadas centrais so 19 38 13 S e 55 23 51 W e a imagem foi obtida pelo sensor na data de 25/01/2011. Foi utilizada uma conformao de 6 bandas, cobrindo as regies espectrais do visvel ao infravermelho de ondas curtas (0,45 a 2,35 m) a qual foi georreferenciada na projeo UTM, Zona 21 Sul e datum WGS-84. A rea de estudo corresponde Fazenda Granja Minuano, localizada a cerca de 27 km da capital Campo Grande, no municpio de Jaraguari, Mato Grosso do Sul (Fig. 1). De acordo com o Censo Agropecurio, Jaraguari apresenta 3.408 hectares de lavouras temporrias, 1.654 hectares de lavouras permanentes, 1.168 hectares de forrageiras para corte e 173.763 hectares de pastagens (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica, 2012). O clima da regio o Tropical Brasil Central Subquente mido, caracterizado por mdia de temperatura entre 15 e 18C em pelo menos um ms, com ocorrncia de uma estao seca, que dura de um a dois meses (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica, 2002). Em 21/01/2012 foram colhidas amostras de folhas de soja no interior e nos arredores da fazenda. A reflectncia destas folhas foi medida com um espectrorradimetro de campo, que cobre a regio espectral entre 0,35 e 2,5 m, com uma medio a cada 0,05 m do espectro eletromagntico. Para cada ponto amostrado foram medidas entre cinco e dez amostras, a partir das quais foram calculados espectros mdios que compuseram as bibliotecas espectrais de referncia. A diferena entre as datas de medio dos dados de campo e de aquisio da imagem orbital se deve ao desativamento do satlite Landsat 5 em novembro de 2011 e presena de nuvens em imagens semelhantes s deste satlite no ms de janeiro de 2012. De toda forma, a imagem foi obtida pelo sensor num perodo do ciclo do cultivo da soja semelhante ao das medies de campo. As condies atmosfricas nas duas datas tambm foram bastante semelhantes nas duas datas, como pode ser comprovado pelos dados estimados por meio do sensor MODIS a bordo do satlite Terra. 2.2 Comparao entre mtodos de correo atmosfrica Trs mtodos de correo atmosfrica foram avaliados: (i) Dark Object Subtraction DOS1 e sua atualizao (ii) Improved Dark Object Subtraction IDOS ou DOS2 (Chavez Junior, 1988; 1996); e (iii) Moderate Resolution Atmospheric Radiance and Transmittance MODTRAN (Berk et al., 1998). A sequncia de processamento foi realizada de acordo com o fluxograma proposto na Figura 2. 2.2.1 DOS1 e DOS2 O mtodo DOS1 foi aplicado no mdulo Model Builder do software ERDAS Imagine, a partir da planilha eletrnica de Gurtler et al. (2005). Para executar a correo atmosfrica, foram utilizados os seguintes parmetros: (i) valores de nmeros digitais e frequncia da banda de referncia escolhida (banda 1, nos comprimentos de onda 0,45 a 0,52 m), (ii) nome do sensor, (iii) data da imagem e (iv) ngulo de elevao solar. Para o clculo do espalhamento atmosfrico, foram adotados os valores de irradincia (I0) e de radincias mnima e mxima do sensor (Lmin e Lmax) estipulados por Chander et al. (2009). A correo atmosfrica do mtodo DOS1 realizada de acordo com a Equao 1 (Gurtler et al., 2005; Chavez Junior, 1988): (1) Em que uma medida estimada a partir da distncia terra-sol, do ngulo de elevao solar e do cosseno do ngulo zenital solar, ND so os nmeros digitais da imagem a ser corrigida e o espalhamento atmosfrico calculado para o sensor. Para o mtodo DOS2, j tambm inclui a transmitncia da atmosfera (), que estimada a partir do cosseno do ngulo zenital solar (Chavez Junior, 1996). Figura 1. Localizao da rea de estudo, com imagem do satlite Landsat 5 sensor TM, rbita-ponto 225-74, de 25/01/2011. Composio colorida RGB nas bandas 3 (vermelho), 2 (verde) e 1 (azul). Figura 2. Etapas metodolgicas adotadas para comparar a correo atmosfrica dos mtodos DOS1, DOS2 e MODTRAN em imagens TM. 2.2.2 MODTRAN O modelo MODTRAN foi implementado no aplicativo Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes (FLAASH) do programa Envi. Neste modelo, a correo dos efeitos atmosfricos realizada de acordo com a Equao 2: (2) Onde a radincia no sensor, a reflectncia de superfcie do pixel, a mdia da reflectncia de superfcie do pixel e da regio vizinha, o albedo esfrico da atmosfera, a radincia retroespalhada na atmosfera e e so parmetros que dependem das condies da atmosfera e da geometria de iluminao (Cooley et al., 2002; Adler-Golden et al., 1999; Anderson et al., 1999). O MODTRAN capaz de estimar os valores de , , e para uma dada condio atmosfrica e assim determinar a radincia da superfcie e em seguida, a reflectncia. As estimativas do modelo so baseadas em informaes atmosfricas observadas no momento de aquisio da imagem. Neste trabalho, foram utilizados dados gerados a partir do sensor Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), a bordo do satlite Terra, que possui horrio de passagem prximo ao do Landsat, alm de constituir em fonte isonmica de dados anlogos ao TM5, visto que tambm opera em plataforma orbital. A condio atmosfrica estimada a partir dos dados do expoente de ngstrm (), profundidade tica do aerossol () e coluna total de gua, obtidos especificamente para cada imagem corrigida, de acordo com o local, data e horrio de passagem, atravs do portal Giovanni pelo site da NASA. Para garantir a eficincia do resultado, foram inseridas informaes sobre a quantidade de CO2 na atmosfera. Esta informao foi obtida pelo sensor Atmospheric Infrared Sounder (AIRS), a bordo do satlite Aqua e disponiblizada pelo portal GSFC no site da NASA. 3.3. Comparao com biblioteca espectral de referncia Aps a aplicao dos dois mtodos de correo atmosfrica, a reflectncia das bibliotecas espectrais de referncia foi reamostrada para a resoluo espectral das imagens do sensor TM do Landsat 5. Em seguida, as reflectncias da imagem nos pontos de coleta de amostra foram comparadas reflectncia da biblioteca espectral, por meio do coeficiente de determinao (R), que aferiu banda por banda quais mtodos de correo atmosfrica estimaram melhor os valores de reflectncia. 3. Resultados As Figuras 3 a 6 mostram que a correo atmosfrica efetuada pelo MODTRAN apresentou os melhores valores de R para as bandas da faixa espectral visvel e do infravermelho prximo (Bandas 1 a 4; 0,45 0,90 m). Este resultado pode ser explicado pelo fato de que o mtodo MODTRAN corrige melhor os efeitos atmosfricos de absoro, que so mais fortes nos comprimentos de onda curtos. J nas bandas do infravermelho de ondas curtas (Fig. 7 e 8), os valores de R dos mtodos DOS1 e DOS2 apresentaram valores mais altos na banda 5 (1,55 1,75 m) e resultados idnticos aos do MODTRAN na banda 7 (2,08 2,35 m). Cabe ressaltar que para todas as bandas, os valores de R dos mtodos DOS1 e DOS2 foram exatamente os mesmos. Os baixos valores de R podem ser atribudos diferena de datas entre a imagem corrigida e os dados de campo. Apesar da semelhana das condies atmosfricas entre as datas de aquisio da imagem pelo sensor e de coleta de dados em campo, a coleta de dados de referncia em um ano agrcola posterior ao da imagem utilizada atrapalhou a anlise. Isto porque, mesmo que a imagem tenha sido obtida aproximadamente no mesmo perodo do ciclo de cultivo da soja, qualquer diferena na maturao das plantas geram dados de reflectncia diferentes para as datas estudadas. Figura 3. Comparao entre os valores de reflectncia da banda 1 (0,45 0,52 m) medida em campo e estimada pela imagem TM Landsat 5 corrigida pelos mtodos: a) MODTRAN, b) DOS1 e c) DOS2. Figura 4. Comparao entre os valores de reflectncia da banda 2 (0,52 0,60 m) medida em campo e estimada pela imagem TM Landsat 5 corrigida pelos mtodos: a) MODTRAN, b) DOS1 e c) DOS2. Figura 5. Comparao entre os valores de reflectncia da banda 3 (0,63 0,69 m) medida em campo e estimada pela imagem TM Landsat 5 corrigida pelos mtodos: a) MODTRAN, b) DOS1 e c) DOS2. Figura 6. Comparao entre os valores de reflectncia da banda 4 (0,76 0,90 m) medida em campo e estimada pela imagem TM Landsat 5 corrigida pelos mtodos: a) MODTRAN, b) DOS1 e c) DOS2. Figura 7. Comparao entre os valores de reflectncia da banda 5 (1,55 1,75 m) medida em campo e estimada pela imagem TM Landsat 5 corrigida pelos mtodos: a) MODTRAN, b) DOS1 e c) DOS2. Figura 8. Comparao entre os valores de reflectncia da banda 7 (2,08 2,35 m) medida em campo e estimada pela imagem TM Landsat 5 corrigida pelos mtodos: a) MODTRAN, b) DOS1 e c) DOS2. 4. Concluses Para as bandas do visvel e infravermelho prximo, o MODTRAN apresentou melhores valores de R quando comparados aos dados da biblioteca espectral de referncia; Para as bandas do infravermelho de ondas curtas, o DOS1 e o DOS2 apresentou melhores resultados na banda 5 e resultados iguais aos do MODTRAN na banda 7; A anlise foi influenciada pela diferena entre a data de aquisio da imagem pelo sensor e a data de aquisio de dados em campo; Apesar da diferena entre as datas da aquisio da imagem e da coleta do campo, os resultados do MODTRAN apresentaram valores de reflectncia com correo atmosfrica mais apurada, por corrigir melhor os efeitos de absoro atmosfrica. 5. 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