A DISCIPLINA SENSORIAMENTO REMOTO NOS CURSOS

Programa
4ª Jornada de Educação em Sensoriamento Remoto no Âmbito do Mercosul – 11 a 13 de agosto de 2004 – São Leopoldo, RS, Brasil
A DISCIPLINA SENSORIAMENTO REMOTO NOS CURSOS DE PÓSGRADUAÇÃO EM GEOGRAFIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE
UBERLÂNDIA
Tema do Trabalho: Sensoriamento Remoto na Pós-Graduação (Especialização, Mestrado e Doutorado)
Jorge Luís Silva Brito
Universidade Federal de Uberlândia
Instituto de Geografia
Av. João Naves de Ávila, 2121, Campus Santa Mônica, Bloco 1H, CEP 38.408-100, Uberlândia (MG)
[email protected]
ABSTRACT
This work describes a number of experiences which occurred along the ministration of the subject
named "remote sensing" between 1999 and 2003. The subject mentioned is part of the master's and
doctor's courses in Geography held by the Instituto de Geografia at UFU (Universidade Federal de
Uberlândia). The above referred subject is composed of two modules. The first module
comprehends topics such as physical principles of remote sensing, sensing systems and data visual
interpretation; and the second module comprehends the techniques for digital processing of images,
along with an introduction for the application SPRING (which stands for Sistema de
PRocessamento de INformações Georreferenciadas, or Geo-referred Information Processing
System). As their final work in the course, the students produce land use maps using the
conventional method for visual interpretation of images and the supervised and non-supervised
classifying methods made available by SPRING.
1. INTRODUÇÃO
A enorme quantidade de dados da superfície terrestre
coletada pelos sistemas de coleta de dados espaciais, com
resoluções espaciais, radiométricas, temperorais e
espectrais variadas, tem levado ao incremento do uso das
técnicas de sensoriamento remoto nas mais variadas áreas
do conhecimento, o que tem levado prelecionais de
diversas áreas a procurarem conhecer e aperfeiçoar os
seus conhecimentos na área de sensoriamento remoto.
Paralelamente, os avanços tecnológicos tem tornado cada
mais acessíveis os equipamentos e softwares para
processamento digital dessas imagens de satélite,
aumento ainda mais o seu uso. Deste modo, surge
também à necessidade do conhecimento das técnicas de
processamento digital de imagens, cuja finalidade é
manipulação numérica de imagens digitais visando
melhorar o poder de discriminação dos alvos. O
processamento de imagens está relacionado com a
correção de distorções, degradações e ruídos introduzidos
na imagem durante o processo dessas imagens de satélite
mais acessíveis. imageamento.
Dentre as técnicas de processamento de imagens
tipicamente usadas podemos citar: transferência da
imagem da fita magnética para o disco rígido,
visualização temporária e produção de cópias em papel,
análises estatísticas, processamento de imagens, realce de
imagens e classificação de imagens.
Deste modo, cabe aos cursos de pós-graduação nas áreas
de geografia, agronomia e engenharia oferecer a
disciplina sensoriamento remoto, visando preparar esses
profissionais, capacitando-os para utilizar, de forma
produtiva e eficiente, os produtos de sensoriamento
remoto e os sistemas de processamento digital de
imagens, disponíveis no mercado.
Neste sentido, Este trabalho descreve um relato de
experiências obtidas na disciplina sensoriamento remoto
dos cursos de mestrado e doutorado em Geografia do
instituto de Geografia da Universidade Federal de
Uberlândia, ministradas nos anos de 1999 a 2003. São
mostradas aqui as experiências, seus resultados
favoráveis e desfavoráveis, referentes ao ensino da
disciplina e ao publico diversificado durante o curso.
2. O CURSO DE SENSORIAMENTO REMOTO
O Programa de Pós-Graduação em Geografia da
Universidade Federal de Uberlândia possui uma estrutura
dinâmica e flexível que procura atender tanto à demanda
de profissionais geógrafos, bem como os de áreas de
4ª Jornada de Educação em Sensoriamento Remoto no Âmbito do Mercosul – 11 a 13 de agosto de 2004 – São Leopoldo, RS, Brasil
interface com a Geografia. Neste sentido, o curso tem
recebido alunos das mais diversas áreas do conhecimento.
A disciplina sensoriamento remoto, ministrada nesse
programa também tem recebido alunos de diversas áreas
e principalmente das seguintes áreas: geografia,
agronomia, engenharia civil e biologia. Como
conseqüência dessa gama de profissionais de áreas
variadas, temos como um dos principais problemas
encontrado na disciplina a falta de conhecimentos
cartográficos básicos por parte de um grupo de alunos,
tais como sistemas de projeções, sistemas de coordenadas
e de escala.
A disciplina é oferecida pelo instituto de geografia que
possui uma área de geotecnologias onde estão lotadas as
disciplinas da graduação de cartografia, sensoriamento
remoto e geoprocessamento.
O
curso
é
ministrado
nos
laboratórios
Geoprocessamento, cartografia e sensoriamento remoto.
Estes laboratórios contam com 12 microcomputadores,
plotter, scanner, um conjunto 300 de cartas topográficas,
escala 1:25.000 a 1:250.000, imagens dos satélites
SPOT, LANDSAT, IKONOS E CBERS, em papel e
meio digital, além de fotografias aéreas de áreas urbanas,
na escala 1:2000 e 1:8000, e de áreas rurais na escala
1:250.000. O livro de introdução ao sensoriamento
remoto (Rosa, 2001) é utilizado como livro texto na
disciplina.
Os softwares disponíveis
no
geoprocessamento são os seguintes:
laboratório
de
-GRASS 4.l - O Geographic Resouces Analysis Support
System é um SIG
desenvolvido pelo corpo de
engenheiros do exército americano, desenhado para uso
em atividades de planejamento ambiental e
gerenciamento de recursos naturais. É um SIG interativo
baseado no formato raster e vetorial, com funções
voltadas para a análise de imagens, análise estatística e
banco de dados.
-IDRISI- é um SIG desenvolvido pela Graduate School of
Geography at Clark University, Massashussets, baseado
no formato raster de representação dos dados para
microcomputadores compatíveis com a linha IBM PC/AT
e PS/2. O usuário pode desenvolver programas
específicos de forma a atender novas aplicações. Utiliza
banco de dados externo com interface para o dBASE.
Permite a migração de dados para o ERDAS e para o
ARC/INFO. Este sistema é indicado para atividades de
ensino, pois trata-se de um sistema que tem praticamente
todas as funções que são normalmente encontradas em
um SIG de maior porte.
-MICROSTATION 5- é um software de cartográfica
digital desenvolvido por Bentley Systems, Incorporate
(EUA). Roda sob o sistema operacional MS-DOS em
microcomputadores PC 486. Comprende modeladores 2D
e 3D, gerador de imagens renderizadas, gerador de
animações, interface com banco de dados e linguagens de
programação.
-ARCVIEWGIS- desenvolvido pela ESRI (EUA) para
computadores compatíveis com a linha IBM-PC e que
opera sobre o ambiente Windows. Trabalha com dados
vetorias e raster, possibilita a captura de dados via
digitalização e permite a customerização pela linguagem
de programação Avenue. É aplicado sobretudo no meio
urbano.
-AutoCAD MAP- software de cartografia digital, que
possui algumas funções típicas de SIG. Funciona em
computadores compatíveis com a linha IBM-PC em
ambiente do Windows 95 ou Windows NT. Possui
ferramenta de digitalização, edição e impressão,
possibilita a integração das estruturas aplicado no meio
rural e urbano.
Para as aulas práticas de processamento digital é utilizado
o sistema de geoprocessamento SPRING3.4. Ele foi
escolhido por ser de distribuição gratuita, o que facilita a
disseminação da tecnologia para outras instituições.
3. MATERIAIS E METODOLOGIA
-MAPINFO 4.6 - trata-se de um SIG destinado a estudos
urbanos (cartografia) e banco de dados, desenvolvido
pela Mapping Information Systems Corporation (EUA)
para trabalhar com sistema operacional DOS em
equipamentos compatíveis com IBM PC/AT E ps/2.
-SPRING (Sistema de PRocessamento de Informação
Geo-referenciadas) - Trata-se de um sistema para
geoprocessamento que inclui um banco de dados
geográficos, desenvolvido pela Divisão Espaciais (INPE).
O SPRING permite adquirir, armazenar, combinar,
analisar e recuperer informações codificadas espacial e
não-espacialmente. É um sistema que combina funções
de processamento de imagens, análise espacial e
modelagem numérica de terreno, em um único ambiente
interativo.
Os recursos materiais utilizados na disciplina
sensoriamento remoto , disponíveis no Laboratório de
cartografia e sensoriamento remoto o Instituto de
Geografia da Universidade Federal de Uberlândia
(LACAR/IGUFU/UFU). são:
•
Produtos analógicos:
o
Imagens TM/landsat órbita/ponto 221/073, do
município de Uberlândia, escalas 1:50.000 e
1:100.000.
o
Fotografias aéreas pancromáticas e coloridas
nas escalas 1:8000 e 1:25.0000 da área urbana
e rural.
o
Cartas topográficas nas escalas 1:25000 e
1:100.000 (IBGE, 1972; Brasil, 1985).
4ª Jornada de Educação em Sensoriamento Remoto no Âmbito do Mercosul – 11 a 13 de agosto de 2004 – São Leopoldo, RS, Brasil
•
•
ƒ Análise Espacial e acesso a Banco de Dados
- As funções de análise do SPRING 0.4
incluem
operações
espaciais
(como
reclassificação, superposição de mapas
temáticos, mapas de distância, tabulação
cruzada, ponderação de temas) e acesso ao
banco de dados;
Produtos Digitais:
o
Imagens TM5/Landsat órbita/ponto 221/073
de 1997 e 2001, bandas 1, 2, 3 , 4, 5 e 6,.
o
Imagem ETM7/Landsat 221/073 de 2001
bandas 1, 2, 3 , 4, 5, 6, 7 e 8.
o
Imagem Ikonos pancromática do município de
Montes Claros,
ƒ Processamento de Imagens - As funções de
realce e tratamento de imagens multiespectrais
incluem: manipulação de histograma, filtragem
espacial, operações aritméticas, classificadores
de máxima verossimilhança e de segmentação,
transformação IHS-RGB e análise de
componentes principais;
Equipamentos:
o
Mesa digitalizadoras Vangog, formato a1
o
Três GPS´s de navegação
o
12 microcomputadores Pentium 3 e 4, com
256Mb memória RAM, 20 gb de disco rígido.
Para o ensino das técnicas de processamento digital de
imagens, utiliza-se o SPRING.
A escolha do software
SPRING baseou-se nas experiências obtidas desde a
versão 1.0 de 1993 (Brito, 2001). Este software tem a
facilidade de ser escrito em português e de ser de domínio
público, o que facilita a sua aplicação no meio
acadêmico.
O SPRING foi desenvolvido pelo INPE (Instituto
Nacional de Pesquisas Espaciais), pela EMBRAPA
(Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária) e pela
IBM. O SPRING é um sistema para processamento em
ambiente UNIX e Windows, que inclui um banco de
dados geográficos, o qual permite adquirir, armazenar,
combinar, analisar e recuperar informações codificadas
espacial e não espacialmente, ou seja, é um sistema que
combina funções de processamento de imagens, análise
espacial e modelagem numérica do terreno, em um único
software (Câmara et. al. 1996; INPE, 2004).
As principais funções disponíveis no SPRING são :
ƒ Entrada de dados - O SPRING lê imagens
dos satélites Landsat, Spot, ERS-1 e NOAA e
realiza registro imagem-mapa e imagemimagem, através da localização interativa de
pontos de controle. Mapas Temáticos podem
ser digitalizados em tabletes, editados e
rotulados de forma interativa. A topologia das
entidades espaciais vetoriais é criada e
armazenada no sistema. O sistema fornece
doze padrões de projeção cartográfica para
satisfazer as variadas necessidades dos
usuários de Geoprocessamento;
ƒ Modelagem Digital do Terreno- Cálculos de
modelagem digital de terreno incluem a
determinação de grades regulares a partir de
pontos esparsos, plotagem de contornos,
fatiamento, geração de mapas de declividade e
aspecto, determinação de volumes e perfis e
visualização 3D;
ƒ Produção de mapas - A produção de mapas
de alta qualidade é assegurada por funções
para composição gráfica interativa, incluindo o
gerenciamento de uma biblioteca de símbolos
(no formato DXF) e a geração automática de
legendas e grades.
A metodologia aplicada, através das aulas teóricaspráticas tem por objetivo explicar os princípios físicos
que interferem na obtenção de dados de sensoriamento
remoto, as características básicas dos dados adquiridos
frente ao comportamento dos alvos presentes na
paisagem, os principais sistemas sensores ora disponíveis
e a importância da utilização na Geografia. Ao final da
disciplina o aluno deverá estar apto a interpretar imagens
e fotografias aéreas e elaborar mapas de uso do solo e
cobertura vegetal natural utilizando o sistema de
geoprocessamentoSPRING3.4.
O curso é oferecido sempre no segundo semestre, com
uma carga horária total de 90 horas, sendo 45 horas
teóricas e 45 horas práticas, sendo ministrado em dois
módulos:
Modulo 1 – Introdução ao Sensoriamento remoto
•
Conhecer os elementos envolvidos na fase de
aquisição de dados de sensoriamento remoto;
•
Entender de que forma as imagens de satélite e
fotografias aéreas são obtidas;
•
Conhecer o comportamento espectral dos
minerais/rochas, solos, vegetação e água, quando
da interação com a radiação eletromagnética;
•
Conhecer os sistemas sensores ora disponíveis,
bem como as características de cada um deles;
•
Saber interpretar imagens de satélite e
fotografias aéreas, de forma a obter informações
de caráter geográfico;
•
Dominar às técnicas de processamento digital de
imagens: correção, realce e classificação.
4ª Jornada de Educação em Sensoriamento Remoto no Âmbito do Mercosul – 11 a 13 de agosto de 2004 – São Leopoldo, RS, Brasil
Modulo II – Processamento digital de Imagens
utilizando o software SPRING
•
Apresentação do Sistema SPRING
•
Principais Passos para operar o SPRING
•
Leitura de imagens através do módulo IMPIMA
•
Registro de imagens
•
Operação de contraste e geração de composição
colorida
•
Classificação de imagens (supervisionada e não
supervisionada) por pixels e por regiões
(segmentação)
•
Importação de arquivos dxf
•
Geração de cartas no módulo SCARTA –
Exemplo: Geração de um mapa de uso da terra
•
Impressão de mapas no módulo iplot.
A avaliação da disciplina consiste em uma prova teórica,
onde são testados o aprendizado sobre os conceitos
fundamentais de sensoriamento remoto, a apresentação de
um seminário sobre os sistemas satélites, onde os alunos
tem a oportunidade de conhecer a grande maioria dos
sistemas satélites existentes e os futuros sistemas.
Finalmente, os alunos produzem um artigo, contendo
mapas de uso da terra e cobertura vegetal elaborados nos
sistema de geoprocessamento SPRING, onde são
comparadas as técnicas de interpretação visual com as
técnicas de classificação de imagens.
4. RESULTADOS
Como resultados, os alunos têm produzido mapeamentos
do uso do solo e cobertura vegetal, onde são utilizadas as
técnicas de interpretação visual de imagens e
classificação digital, utilizando os métodos disponíveis
no SPRING4.0. A seguir é mostrado um exemplo de um
trabalho desenvolvido no curso em 2003 (Bezerra et. al,
2003).
Bezerra et. al. durante a disciplina de sensoriamento
remoto do mestrado em Geografia (turma de 2003),
utilizaram as técnicas interpretação visual, classificação
por MAXVER e segmentação de imagens para a
elaboração do mapa de uso da terra microbacia do
córrego Lamarão (tabela 1, Figuras 1 e 2)) e concluíram
que o reconhecimento de campo foi fundamental na
avaliação do desempenho dessas três técnicas. Segundo o
autor, os mesmos alvos apresentam comportamentos
espectrais distintos em função das diferentes datas de
plantio, épocas do ano e diferenças nos tipos de solos.
Esses detalhes somente podem ser elucidados com um
bom controle de campo. Além disso, as classes de Mata
de Galeria e cerradão não apresentaram problemas nas
suas delimitações em nenhuma das técnicas utilizadas, o
que não foi o caso da separação entre pastagem cultivada
e Campo Sujo.
TABELA 1 - CLASSES DE USO DA TERRA E
COBERTURA VEGETAL NATURAL DA MICROBACIA
DO CÓRREGO LAMARÃO, DF, OBTIDAS PELA
INTERPRETAÇÃO VISUAL, CLASSIFICAÇÃO POR
MAXVER E SEGMENTAÇÃO DE UMA IMAGEM DO
LANDSAT ETM+.
Interpretação
MaxVer
Segmentação
Visual (ha)
(ha)
(ha)
Cerrado
504
1013
592
Campo Sujo
1260
1200
1409
Mata de Galeria
1154
768
900
Pastagem
1977
1400
1040
21
784
20
Agricultura
3326
2500
3389
Solos Expostos
236
206
98
Cerradão
Agricultura
Irrigada
166
242
29
390
355
1021
Cultura Perene
196
524
459
Água
17
69
11
Pivô Central
355
541
634
9602
9602
Classes de
Cobertura do
Solo
Reflorestamento
Área Total
9602
FONTE: Bezerra et; al. (2003).
4ª Jornada de Educação em Sensoriamento Remoto no Âmbito do Mercosul – 11 a 13 de agosto de 2004 – São Leopoldo, RS, Brasil
Pivo Central
Segmentação
Água
MaxVer
Cultura Perene
Agric. Irrigada
Interpretação
Visual
Cerradao
Solo Exposto
Agricultura
Reflorestamento
Pastagem
Mata
Campo Sujo
Cerrado
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Fig. 1 - Quantificações de áreas (em hectares) das classes de cobertura do solo da bacia do córrego Lamarão, obtidas
pelos métodos de interpretação visual, MaxVer e técnica de segmentação.
FONTE: Bezerra et. al. (2003)
47 35 51
47 33 19
47 30 46
47 28 13
15 55 52
15 55 52
15 57 35
15 57 35
15 59 18
15 59 18
Cerradão
Pastagem
Agricultura Irrigada
Cerrado
Cultura Perene
Pivô Central
Mata
Solo Exposto
Água
Campo Sujo
47 35 51
N
47 33 19
16 01 01
16 01 01
Agricultura
Reflorestamento
47 30 46
0
47 28 13
1.2
2.4
3.6 km
Fig. 2 - Mapa de cobertura do solo da microbacia do córrego Lamarão, elaborado a partir das técnicas de segmentação
(limiar = 15, tamanho do pixel = 10 metros, Sistema de Processamento de Informações Georreferenciadas –
SPRING) e de classificação por Isoseg (limiar de aceitação = 95%).
Fonte: Bezerra et. al (2003).
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5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
As experiências da aplicação desta metodologia,
considerando as aulas teóricas e as práticas, foram
satisfatórias. No entanto, devido ao perfil dos alunos, de
diversas áreas, percebeu-se uma de conhecimentos
cartográficos básicos por parte dos mesmos, tais como
sistemas de projeções, sistemas de coordenadas e de
escala.
O uso do SPRING4..0 apresentou como vantagem
principal a facilidade de aquisição do software, que
possibilita o seu uso nas instituições de ensino/empresas
de origem dos alunos, porém apresentou como principal
desvantagem a dificuldade dos alunos em dominar os
conceitos de modelagem espacial dos dados no
SPRING.
Além disso, a Um dos principais problemas encontrado
no curso é a falta de conhecimentos cartográficos
básicos por parte dos alunos, tais como sistemas de
projeções, sistemas de coordenadas e de escala. A
adoção do sistema de geoprocessamento SPRING para
as aula práticas apresentou como principais vantagens a
facilidade de ser escrito em português e de ser de
domínio público, o que possibilita o uso do software nas
instituições de origem dos alunos, divulgando assim, a
tecnologia.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Brito, J.L.S, 2001. Adequação das potencialidades do
uso da terra na bacia do Ribeirão bom Jardim, no
Triângulo Mineiro: Ensaio de Geoprocessamento.
FFLCH/USP (Tese de doutorado), São Paulo, 184
páginas.
Bezerra, H.S; Sano, E.E; Brito, J.L..; Rosa, R, 2003.
Comparação entre três métodos de elaboração de mapas
de uso da terra: caso da microbacia do córrego Lamarão,
Distrito Federal, In Anais do II Simpósio Regional de
Geografia , Uberlândia , Minas Gerais, Brasil, pp. 1-8.
Câmara, G.; Souza, R.C.M.; Freitas, U.M.; Garrido, J.
1996. SPRING integrating remote sensing and GIS by
object-oriented data modelling. Computer & Graphics,
Vol.20, n.3, pp.395-403.
INPE. Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais.
Manual
do
SPRING.
Disponível
no
site
http://www.dpi.inpe.br/spring/portugues/index.html.
Acesso em 20 de novembro de 2003.
Rosa, R. , 2003. Introdução ao sensoriamento remoto. 5ª
ed., Edufu, Uberlândia, 238 páginas.