Broadband Reflective Multispectral Imagery
Broadband reflective multispectral sensors and thermal sensors are addressed separately being based on different physics. Na prática, contudo, estes dois grupos de sensores passivos são frequentemente montados no mesmo instrumento como bandas diferentes. Isto é verdade para muitos sistemas de sensores, tais como TM, Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM +), e ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) (Tabela 1).
Broadband reflective multispectral image data are the most widely used for geological and environmental studies and regarded as an effective operational tool for mapping tectonic structures and lithology, for mineral exploration, for logistic planning, and for field survey navigation. Alargando o âmbito de aplicações da observação da Terra ao estudo planetário, este grupo de sensores são frequentemente as principais ferramentas para a recolha de dados de outros planetas. Um exemplo típico é a exploração da família de satélites Mars.
A família de satélites americana Landsat TM, ETM +, e a família de satélites francesa SPOT (Système Pour 1’Observation de la Terre) de alta resolução visível (HRV) são os sistemas de observação da Terra mais comummente utilizados, fornecendo dados de imagens multiespectrais e pancromáticas de banda larga de cobertura global. Como mostra o Quadro 1, estes tipos de sistemas de sensores operam na: gama espectral visível com bandas equivalentes a três cores primárias; azul (380-440 nm), verde (440-600 nm), e vermelho (600-750 nm); a gama de infravermelhos próximos (NIR) (750-1100 nm), e a gama de infravermelhos de onda curta (SWIR) (1550-2400 nm). O número de bandas e a largura espectral em VNIR (visível próximo do infravermelho) e a gama espectral SWIR dependem das janelas atmosféricas e da concepção do sensor. Por exemplo, a largura espectral das bandas SWIR precisa de ser muito mais larga do que as bandas visíveis para se conseguir a mesma resolução espacial, como é o caso das bandas TM 5 e 7, porque a radiação solar na região espectral SWIR é significativamente mais fraca do que a da gama espectral visível.
Em geral, a banda ‘larga’ significa que a gama espectral é significativamente mais larga do que alguns nanómetros, excepto no caso dos sistemas de sensores hiper-espectrais descritos abaixo. Os sistemas de sensores multiespectrais reflectores de banda larga são um compromisso bem sucedido entre a resolução espacial e a resolução espectral. Com bandas espectrais relativamente largas, tal sistema de sensores oferece uma resolução espacial razoável com alta SNR (Signal Noise Ratio) e, entretanto, operando numa vasta gama espectral desde VNIR a SWIR, tal sistema pode fornecer imagens de bandas espectrais múltiplas, permitindo a identificação dos principais objectos terrestres e a discriminação de vários tipos de cobertura terrestre. Com o melhoramento dramático da tecnologia de sensores, desde scanners mecânicos a scanners push-broom, e a câmaras digitais CCD, a resolução espacial das imagens multiespectrais de banda larga está sempre a melhorar. Para satélites de órbita polar síncronos ao Sol, a resolução espacial deste tipo de sensores foi melhorada de 80 m (Landsat MSS) nos anos 70 para menos de um metro, nos sistemas actuais, como mostram os exemplos da Tabela 2.
A gama espectral VNIR é utilizada por quase todos os sistemas de sensores multiespectrais reflectores de banda larga. Esta gama espectral está dentro do pico de radiação solar e permite assim a geração de alta resolução e imagens SNR elevadas. Também abrange características de diagnóstico dos principais objectos terrestres, tais como os poucos exemplos abaixo:
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Vegetação: Pico de reflexão menor em verde, absorção em vermelho, e depois pico de reflexão significativo em NIR, muitas vezes chamado ‘borda vermelha’.
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Água: Forte difusão e penetração em azul e verde, e absorção quase completa em NIR.
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Óxido de ião (solos vermelhos, gossanos, etc.): Absorção em azul e reflectância elevada em vermelho.
Muitos sistemas de sensores de satélite não utilizaram a banda azul, a fim de evitar fortes efeitos de dispersão de Rayleigh na atmosfera que podem tornar uma imagem ‘turva’. Uma configuração popular é oferecer três bandas espectrais amplas em verde, vermelho e NIR, como o caso do SPOT 1-3 (Tabela 1) mas, com a melhoria da sensibilidade dos sensores, este já não é o caso dos mais recentes sensores comerciais de alta resolução espacial (Tabela 2). Num sistema gráfico computorizado, podemos exibir as três imagens de banda como um composto de cor com NIR exibido em vermelho, vermelho em verde, e verde em azul. Tal imagem composta de cor é chamada um composto de cor falsa padrão. Esta imagem é a mais eficaz para cartografar vegetação saudável.
A gama espectral SWIR é considerada como a mais eficaz para cartografia litológica e exploração mineral porque a maioria dos tipos de rochas tem alta reflectância em 1,55-1,75 μm e minerais argilosos (muitas vezes produtos de alteração) relacionados com mineralização, têm várias características de absorção na gama espectral 2,0-2,4 μm. Estas duas gamas espectrais SWIR, correspondentes à banda Landsat TM 5 e 7, são preferidas pelos geólogos. Os sistemas de sensores SWIR são tecnicamente mais difíceis e complicados porque os detectores SWIR têm de funcionar a baixas temperaturas, o que requer um sistema de arrefecimento (um líquido refrigerante de azoto líquido ou um criocooler) para manter os detectores a cerca de 80 K.
Com seis amplas bandas espectrais reflectoras, o Landsat TM/ETM + proporcionou a melhor resolução espectral entre os sistemas de sensores de banda larga durante muitos anos. As seis bandas espectrais reflectoras largas são muito eficazes para a discriminação de vários objectos terrestres, mas não são adequadas para se conseguir uma identificação específica em determinados tipos de rochas e grandes conjuntos minerais relacionados com depósitos minerais. Isto requer um sistema de sensores com uma resolução espectral muito mais elevada a alguns nanómetros de largura de banda para resolver as suas assinaturas espectrais subtis. Esta exigência levou ao desenvolvimento dos sistemas hiper-espectrais.
ASTER (um scanner push-broom para bandas VNIR e SWIR), a bordo do satélite Terra-1, é um representante de um sistema de sensores de transição entre a banda larga multiespectrais e a banda estreita hiper-espectrais de detecção. É um sistema integrado de três scanners: um VNIR push-broom scanner com três bandas espectrais largas; um SWIR push-broom scanner com seis bandas espectrais estreitas; e um TIR cross-track scanner mecânico com cinco bandas térmicas (Tabela 1). O sistema combina boa resolução espacial nas bandas VNIR e alta resolução espectral nas bandas SWIR e térmicas e foi especificamente concebido para aplicações geológicas. As três bandas VNIR de 15 m de resolução são adequadas para distinguir grandes categorias de cobertura de terra tais como vegetação, água, solos vermelhos, áreas urbanas, depósitos superficiais, e afloramentos rochosos, enquanto as seis bandas estreitas SWIR de 30 m de resolução oferecem potencial para cartografar grandes conjuntos minerais de tipos de rocha e alterações. Outra vantagem única da ASTER é que tem ao longo da pista capacidade estéreo. O scanner VNIR tem um telescópio de visão para trás para levar imagens NIR ao lado do seu telescópio de nadir para as três bandas VNIR. Assim, imagens NIR de nadir e de visão para trás são captadas simultaneamente, formando ao longo da pista pares de imagens estéreo. Os pares de imagens ao longo da pista permitem a geração de dados DEM (Digital Elevation Model).