PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS CBERS

1. PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS CBERS

2. Esta aula apresenta a metodologia do Módulo Processamento Digital de Imagens, utilizando dados do CBERS, do Curso ministrado totalmente a Distância, desenvolvido pelo INPE (OBT) em parceria com a Selper: Introdução ao Sensoriamento Remoto http://www.dpi.inpe.br/ead/intro_sr/index.html Além disto, mostra alguns resultados da 2ª Pesquisa realizada sobre o Perfil dos Usuários das Imagens do Satélite Sino-Brasileiro de Recursos Terrestres - CBERS (China-Brazil Earth Resources Satellite Program), e os produtos deste satélite.

3. Sobre o Programa CBERS Com o CBERS (China-Brazil Earth Resources Satellite) o Brasil passou a dominar a tecnologia para o fornecimento de dados de sensoriamento remoto. Até então, o país dependia exclusivamente de imagens fornecidas por equipamentos estrangeiros. A cooperação entre cientistas brasileiros e chineses no desenvolvimento de tecnologias espaciais resultou nos satélites CBERS-1 e CBERS-2, lançados respectivamente em 1999 e 2003 e atualmente inoperantes, e no CBERS-2B, colocado em órbita em setembro de 2007 e responsável por enviar imagens para as mais diversas aplicações, como monitorar desmatamentos e a expansão da agropecuária. Desde a assinatura do acordo de cooperação, em 1988, Brasil e a China já investiram cerca de US$ 350 milhões e atualmente o Brasil é um dos maiores distribuidores de imagens orbitais do mundo. Numa iniciativa pioneira, a política de acesso livre às imagens do satélite CBERS tem levado outros países, como os Estados Unidos, a disponibilizar dados orbitais de média resolução. Para garantir o fornecimento ininterrupto de dados aos milhares de usuários conquistados pelo CBERS, o Brasil precisa manter e ampliar seu programa de satélites de observação da Terra. Estão programados os lançamentos de mais dois satélites (CBERS-3 e 4) em 2011 e 2014. E já se discute com a China o desenvolvimento de outros dois. Além do fornecimento gratuito de imagens de satélite, que contribuiu para a popularização do sensoriamento remoto e para o crescimento do mercado de geoinformação brasileiro, o Programa CBERS promove a inovação na indústria espacial nacional, gerando empregos em um setor de alta tecnologia fundamental para o crescimento do País.

4. Objetivo do Curso a distância Capacitar profissionais, de várias áreas, no uso da tecnologia de Sensoriamento Remoto. Objetivo do Módulo Processamento de Imagens Difundir o uso de dados do satélite sino-brasileiro (CBERS) e de outros satélites, disponíveis gratuitamente na Internet, bem como o software SPRING (Sistema de Processamento de Informações Georreferenciadas), desenvolvido pelo INPE, e também gratuito.

5. Metodologia Esta metodologia de ensino foi desenvolvida com softwares e imagens disponíveis na Web, possibilitando acessos totalmente gratuitos. Constitui-se de procedimentos em formato de rotinas com o “passo a passo” contendo mini-videos, para que os alunos de cursos de geotecnologias, e demais interessados nessa área, possam utilizá-los para: -capturar imagens CBERS, -mosaicos LANDSAT, -georreferenciar imagens multitemporais, -aplicar técnicas de processamento de imagens e -gerar mapas temáticos.

6. O ambiente de ensino aprendizagem utilizado, e os programas específicos, para o ensino de Processamento de Imagens CBERS, no Curso, são apresentados a seguir: TelEduc.Ambiente para a criação, capacitação e administração de cursos na Web (http://TelEduc.nied.unicamp.br).

7. Para inicio da comunicação com os alunos utilizamos a ferramenta “Agenda”, recurso que se caracteriza como a porta de entrada de um curso. Toda a programação da semana é explicitada nesta ferramenta a fim de que os formandos possam se organizar em relação aos tópicos, tempo de estudo e a elaboração das atividades. O ponto forte do curso é o suporte diferenciado ao aluno, já que para ter sucesso em um curso a distância é muito importante a interatividade entre professores e alunos, entre alunos e o ambiente de aprendizado e se possível, entre os alunos também. O formador como facilitador do processo de aprendizagem a distância deve sempre orientar o aluno sobre a dinâmica do curso, incentivando e conscientizando este aluno na importância de sua participação ativa neste contexto de aprendizagem. As ferramentas mais utilizadas para aprimorar a interatividade no nosso curso são: “Atividades”: ela apresenta as atividades a serem realizadas durante o curso.

8. “Diário de Bordo”: como o nome sugere, trata-se de um espaço reservado para que cada participante possa registrar suas experiências ao longo do curso: sucessos, dificuldades, dúvidas, anseios visando proporcionar meios que desencadeiem um processo reflexivo a respeito do seu processo de aprendizagem. “Correio”: trata-se de um sistema de correio eletrônico interno ao ambiente. Assim, todos os participantes do curso podem enviar e receber mensagens através deste correio. Todos, a cada acesso, devem consultar seu conteúdo a fim de verificar as novas mensagens recebidas. “Portfólio”: nesta ferramenta os participantes do curso podem armazenar textos e arquivos utilizados e/ou desenvolvidos durante o curso, bem como endereços da Internet. O aluno descreve o desenrolar das suas atividades no “Diário de Bordo”, e faz um comentário dizendo para o professor em qual etapa das rotinas ele teve mais dificuldades. Como as rotinas mostram o “passo a passo” em itens, fica muito fácil para o aluno apontar as suas dúvidas e ir interagindo com o professor. Em muitos casos o formador repete a operação, junto com o aluno, para conseguir visualizar onde está o problema e ajudá-lo a seguir em frente.

9. SWISH. Programa que usa a tecnologia Adobe Flash para criar apresentações multimídia. Ferramenta que permite criar com extrema habilidade animações em flash, acrescenta efeitos a imagens importadas, nos formatos GIF, JPEG e PNG, e executa efeitos sonoros em resposta ao clique do mouse. (http://www.swishzone.com).

10. CamStudio. Ferramenta para gravar a atividade da tela do computador  como arquivo de vídeo AVI. Os vídeos foram gerados demonstrando “passo a passo” a aplicação das técnicas em Geoprocessamento e Processamento de Imagens CBERS dentro do SPRING. (http://www.camstudio.org).

11. SPRING. Sistema de Informações Geográficas-SIG, desenvolvido e mantido pela OBT/ DPI – INPE. Software Freeware – Download via Web http://www.dpi.inpe.br/spring Versões em Windows e Linux (4.3.3) com Manual on-line – browser estilo Web.

12. Principais Funcionalidades: Processamento Digital de Imagens, Manipulação de Dados Temáticos, Modelagem Numérica de Terreno, Armazenagem e Consultas de Dados Cadastrais, Modelagem e Uso de Redes e, Análises Espaciais. Principais características: - Integrar, numa única base de dados, informações espaciais provenientes de dados cartográficos, dados de censo e cadastro urbano e rural, imagens de satélite, redes e modelos numéricos de terreno. -Oferecer mecanismos para combinar as várias informações, através de algoritmos de manipulação e análise, além de ferramentas para consultar, recuperar, visualizar e plotar o conteúdo da base de dados geocodificados. No módulo “SPRING”, estão disponíveis as funções relacionadas à criação, manipulação de consulta ao banco de dados, funções de entrada de dados, processamento digital de imagens, modelagem numérica de terreno e análise geográfica de dados. É o módulo principal de entrada, manipulação e transformação de dados geográficos. Para ter acesso ao material on line deste curso pode ser utilizado o Windows Media Player (WMP). Trata-se de um programa para áudio e vídeo em computadores pessoais. Produzido pela Microsoft, está disponível gratuitamente para o Microsoft Windows.

13. O módulo PROCESSAMENTO DE IMAGENS CBERS dos nossos cursos é composto pelas seguintes Rotinas:

14. Rotina 1. Como criar um banco de dados; Rotina 2. Como criar as categorias: imagem, carta temática e classes temáticas; Rotina 3. Como criar um projeto; Rotina 4. Como importar o mosaico da NASA; Rotina 5. Como capturar as imagens CBERS. Rotina 6. Como realizar o registro das Imagens CBERS no SPRING; Rotina 7. Contraste linear; Rotina 8. Como aplicar as técnicas de segmentação e classificação; Rotina 9. Edição matricial.

20. Banco ATLAS 2008: http://www.dpi.inpe.br/spring/portugues/banco.html

21. Base de dados do BRASIL - Imagens CBERS das capitais brasileiras, Mapa estadual, municipal 1991, 1994, 1997, 2001, 2005, 2007 (500.000 e 2.000.000), sede de municípios (2005), drenagem, vias acesso, séries cartográficas, vegetação radam, cenas Landsat, CBERS e SPOT, do Brasil. Access (versão 5.0 do SPRING) / 352 mbytes Brasil - Polyconica/SIRGAS 2000 Executável win (XP/Vista) IBGE, INPE

23. Meridiano central W 51:00:00 Abrangencia do fuso 54-48

27. http://www.ltid.inpe.br/cursoadistancia/ ProcessamentoDeImagensCBERS/AULAS/Aula3/ DetalhesRotina4_Alternativa.pdf

29. http://www.dgi.inpe.br/Suporte/files/ manual_usuario_PT.htm

31. Transformações polinomiais - pontos de controle O uso de transformações polinomiais é bastante comum no registro de imagens. As transformações polinomiais fazem o vínculo entre coordenadas de imagem e as coordenadas no sistema de referência através de pontos de controle. Pontos de controle são feições passíveis de identificação na imagem e no terreno, ou seja, são feições homólogas cujas coordenadas são conhecidas na imagem e no sistema de referência. Cruzamentos de estradas, pistas de aeroportos e confluência de rios são candidatos naturais a pontos de controle. A determinação dos parâmetros da transformação polinomial selecionada é feita através da resolução de um sistema de equações. Para que esse sistema de equações possa ser montado as coordenadas dos pontos de controle devem ser conhecidas tanto no referencial da imagem como no sistema de referência. As coordenadas de imagem (linha, coluna) são obtidas quando o usuário clica sobre a feição na imagem. As coordenadas de referência são usualmente obtidas através de mapas confiáveis que contenham as feições homólogas usadas como pontos de controle (modo Mesa na janela de registro). O SPRING também aceita medições feitas diretamente no terreno com GPS (modo Teclado). Dados vetoriais existentes e imagens georreferenciadas também podem ser usados como fontes de extração de coordenadas de referência (modo Tela).

32. Uma vez determinados os n pontos de controle e selecionada a transformação polinomial, um sistema de 2n equações é montado para resolver 6, 12 ou 20 parâmetros, dependendo do polinômio ser de 1o, 2o ou 3o grau. Assim, conclui-se que o número mínimo de pontos de controle é 3 para o polinômio de 1o grau, 6 para o polinômio de 2o grau e 10 para o polinômio de 3o grau. O número mínimo de pontos de controle representa a situação de um sistema de equações determinado, no qual o número de equações coincide com o número de incógnitas a calcular. Entretanto, como as coordenadas medidas dos pontos de controle estão sujeitas a erros, convém usar um número de pontos maior que o mínimo. Nesse caso, trabalha-se com um sistema de equações sobre-determinado, que tem mais equações que incógnitas e permite tratar e distribuir os erros de medição dos pontos de controle. Em termos práticos aconselha-se o uso de 6 pontos de controle para o polinômio de 1o grau, 10 pontos de controle para o polinômio de 2o grau e 14 pontos para o polinômio de 3o grau. Deve-se ter em mente também que a distribuição dos pontos de controle na área a ser registrada é de suma importância, pois as transformações polinomiais tendem a se comportar adequadamente apenas na região onde se encontram os pontos de controle.

36. Durante o Registro e a Importação de Arquivos GRIB, dos dados CBERS , o botão correção de sistema deve ficar ativado ou desativado? As imagens CBERS selecionadas através do catálogo de imagens do INPE (www.dgi.inpe.br/CDSR) têm correção geométrica de sistema e estão, portanto, sujeitas às incertezas oriundas dos dados de efemérides e de atitude usados no processo de correção geométrica. Como as imagens do CBERS-2 e2B estão sendo distribuídas gratuitamente à comunidade de usuários brasileiros, é oportuno enfatizar o estado atual da qualidade geométrica dessas imagens e descrever a melhor maneira de tratá-las através do módulo de registro do SPRING com o objetivo de eliminar o erro de posicionamento e refinar o erro interno. A exatidão de posicionamento define quanto uma imagem com correção de sistema está fora de sua posição geográfica correta. As imagens CBERS-2 e 2B podem apresentar erros de posicionamento de até 10 km. Dados de efemérides imprecisos e aproximações na integração dos dados de atitude feita a bordo do satélite são os principais responsáveis pelo erro de posicionamento das imagens com correção de sistema. O registro das imagens elimina o erro de posicionamento. A exatidão interna estabelece a possibilidade de integração de uma imagem com correção de sistema a mapas e a outros dados georreferenciados. Em outras palavras, o erro interno é o erro residual, aquele que não se consegue eliminar totalmente, quando se tenta sobrepor uma imagem a um mapa, ou seja, um erro interno pequeno significa uma boa sobreposição. O erro interno é de cerca de 90 m (4.5 pixels) para as imagens CCD, 250 m (3.125 pixels) para as imagens IRMSS e 700 m (2.7 pixels) para as imagens WFI. Como conseqüência, se a opção correção de sistema estiver ativa, esses valores de erro interno permanecem na imagem registrada. Por outro lado, testes realizados no INPE mostram que o registro das imagens através de uma transformação de afinidade (polinômio de 1o grau) permite o refinamento do erro interno, que cai para cerca de 24a 28 m (1.4 pixel) para as imagens CCD, 112 m (1.4 pixel) para as imagens IRMSS e 416 m (1.6 pixel) para as imagens WFI. Portanto, se o registro for feito com o botão correção de sistema desativado e houver mais de 3 pontos de controle para o uso de um polinômio de 1o grau, consegue-se um bom resultado. Por isso, sugere-se, como regra geral para as imagens CBERS-2 e 2B, que o Registro e a Importação de Arquivos GRIB  sejam feitos com o botão correção de sistema desativado.

38. O registro é uma operação trabalhosa, existe alguma dica para realiza-lo com mais facilidade? SIM. Observe as recomendações a seguir: 1.Clicar em Tela nos botões de opção Aquisição;2.Reconhecer pontos homólogos, isto é, pontos que correspondam às mesmas feições nas imagens de referência e de ajuste. Faça isto antes de começar a aquisição dos pontos. Utilize o recurso da opção Ampliar, que está no "Painel de Controle". Isto permite uma maior precisão na localização os pontos; 3.Clicar em Criar nos botões de opção Operação;4. Clicar na caixa de texto Nome e fornecer um nome para o ponto que vai ser adquirido; 5. Clicar em CR para que apareça a mensagem "Selecione ponto de referência"; clicar sobre OK na mensagem, e logo em seguida, aponte o cursor sobre o ponto na tela de referência, clicando com o Botão da Esquerda do mouse novamente; 6. Um ponto representado por uma cruz verde aparecerá sobre a imagem ou dado vetorial na Tela 5; clicar e arrastar a cruz verde até o mesmo ponto geográfico escolhido na tela de referência. Se você está realizando o registro, veja a seguir, um LEMBRETE que poderá auxiliá-lo: Após CRIAR um ponto (clicar sobre o ponto na tela 1) aparecerá na tela 5 o ponto correspondente. Esse ponto na Tela 5 - imagem de ajuste - é que deve ser movimentado para a posição correta, isto é, equivalente à posição da tela 1 na imagem de referência. Se possível defina em torno de 9 pontos de controle, 3 na parte superior da imagem, 3 na parte central e 3 na parte inferior. Pode ser um número menor, desde que estejam bem distribuídos. Use a opção SELECIONAR, antes de SALVAR os pontos de controle. Selecione todos os pontos e avalie o erro de precisão, o ideal é conseguir um erro próximo de 1,5  pixel.  

42. Limiares de Similaridade e de Área   A medida de Similaridade está baseada na distância Euclidiana entre os valores médios dos níveis de cinza de cada região. Assim duas regiões são consideradas distintas se a distância entre suas médias for superior ao limite de Similaridade escolhido. Regiões com limiar de Área menor que o mínimo escolhido são absorvidas pelas regiões adjacentes mais similares a estas. O valor de similaridade depende dos níveis de cinza da imagem. Para as imagens Landsat, ou CBERS, usamos o valor = 8. Por exemplo: Considerando-se apenas uma banda e um limiar de similaridade igual a 8.     Uma região com a média dos níveis de cinza = 12 e uma região vizinha com média dos níveis de cinza = 18, são consideradas similares.     Porque a diferença entre as médias é igual a 6, que é um valor menor que 8, portanto essas regiões serão agrupadas formando uma nova região. O limiar de Área depende da área mínima, em número de pixels, que se deseja identificar.     Por exemplo:     Para imagens Landsat de resolução = 30 x 30 metros, uma área de 20 pixels significa: 5 x 4 pixels = (5 x 30m) X (4 x 30metros) = 18000 m2 ( área mínima ).     Para imagens CBERS de resolução = 20 x 20 metros, uma área de 20 pixels significa: 5 x 4 pixels = (5 x 20m) X (4 x 20metros) = 8000 m2 ( área mínima ). Experimente: Área = 20 e Similaridade = 8  e faça alguns testes variando esses valores. Por exemplo:     Área  e Similaridade : 20     e          8, 15        e     10, 30        e     10.

47. Produtos CBERS-SATÉLITE SINO-BRASILEIRO DE RECURSOS TERRESTRES http://www.cbers.inpe.br

48. Um dos objetivos deste curso é divulgar os produtos dos satélites CBERS distribuídos gratuitamente na internet. Três câmeras para observação da superfície terrestre em diferentes regiões de espectro eletromagnético compõem a carga útil dos satélites CBERS.

49. CÂMERA IMAGEADORA DE AMPLO CAMPO DE VISADA - WFI Proporcionam imagens de extensas faixas da superfície do globo, permitindo uma visão integrada de formações geográficas de grande extensão, tais como grandes rios e regiões costeiras. No CBERS-1, CBERS-2 e CBERS-2B, a câmara WFI produz imagens de uma faixa com 890 km de largura, com resolução de 260 m. No CBERS-3 e CBERS-4, a câmara produzirá imagens de uma faixa com 866 km, com resolução de 73 m.

50. CÂMERA DE ALTA RESOLUÇÃO - CCD Permite o acompanhamento de fenômenos que exigem maior detalhamento para seu estudo, tais como processos de desmatamento e mapeamentos agrícolas. A direção de visada pode ser deslocada no sentido leste-oeste em até 32 graus em relação ao centro da órbita, possibilitando a obtenção de imagens estereoscópicas. Além disto, qualquer fenômeno detectado pela câmera WFI pode, também, ser localizado pela câmera CCD, para estudo mais detalhado. No CBERS-1, CBERS-2 e CBERS-2B, a câmera CCD produz imagens de uma faixa com 113 km de largura, com resolução de 20m. No CBERS-3 e CBERS-4, haverá uma segunda câmera CCD (PANMUX) que produzirá imagens com até 5 m de resolução.