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

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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. Referncias Bibliogrficas:

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