Pré-processamento de imagens

1. Pré-processamento de imagens Correcções geométricas Correcções radiométricas

2. Factores de distorção geométrica das imagens (excluíndo relevo) 1. A rotação da terra de poente para nascente, combinada com a deslocação do satélite sobre a região correspondente a uma imagem, durante a captação desta, provoca um desvio das posições dos pixels ao longo da imagem. [RJ99, p 50]

3. 2. A distorção panorâmica para sensores de varrimento (exemplo: sensor do Landsat) provoca uma alteração da dimensão e forma das parcelas de terreno que correspondem aos pixels da imagem. [RJ99]

4. 3. A curvatura da terra pode afectar a geometria de imagens de sensores como o NOAA/AVHRR ou o SPOT Vegetation, de elevada largura de imagem.. O factor de distorção nos pixels na margem da imagem, devido à curvatura da terra, cresce de 2.89 para 4.94 para o sensor AVHRR. Resolução espacial

5. 4. O varrimento da cena combinado com o movimento da plataforma provoca um desvio da posição dos pixels no sentido do movimento da plataforma. 5. As variações na altitude, velocidade e posição da plataforma podem causar distorções acentuadas, especialmente se as imagens são obtidas por avião. [RJ99 p. 55]

6. 6. A sobreposição de linhas da imagem pode causar uma distorção da razão entre a escala horizontal e vertical da imagem. 7. Erros instrumentais, principalmente em sistemas com varrimento por espelhos. • Nota: os sensores de matriz linear (SPOT, IKONOS, Quickbird, ...) sofrem efeitos atenuados ou nulos dos seguintes factores: • Erros instrumentais; • Variações de altitude da plataforma; • Variações da atitude da plataforma (balanços transversal e longitudinal, guinada) • Enviezamento na direcção do varrimento; • Efeito de rotação da terra.

7. Correcções geométricas: duas abordagens • Modelar os factores de distorção e deduzir as correcções a efectuar. • Fazer uma transformação polinomial para corrigir a imagem, e usar pontos de controle para estimar os parâmetros dessa transformação.

8. Transformações polinomiais 1. Definir uma nova grelha para a imagem corrigida [RJ99 p. 58] A nova grelha é definida pelas coordenadas dos vértices e pelo número de linhas e colunas

9. 2. Escolher pontos de controle na imagem: pontos com coordenadas conhecidas na imagem original e na grelha de referência [RJ99 p. 57]

10. Nota: os pontos de controle devem estar bem distribuidos na imagem. Caso contrário, a transformação de coordenadas só se aplicará à zona da imagem com pontos de controle, não se podendo avaliar a qualidade do resultado nas outras zonas. [RJ99 p.68]

11. 3. Escolher o polinómio para a transformação. Número de parâmetros: • f(x,y)=a+bx+cy: 3 parâmetros • f(x,y)=a+bx+cy+dxy+ex2+fy2: 6 parâmetros • f(x,y) de 3º grau: 10 parâmetros Transformação produzida: • Grau 1: rotação, translação e mudança de escala • Grau 2 e 3: como acima, mas também torção e envurvamento Quanto maior o número de parâmetros a estimar, maior o número de pontos de controle necessários. Para controlar flutuações aleatórias, é considerado conveniente usar duas três vezes mais pontos do que o número de parâmetros.

12. 4. Estimar os coeficientes dos polinómios por um método de mínimos quadrados. Sejam (x,y) as coordenadas na referência e (u,v) as coordenadas na imagem original. Seja S a soma, para todos os pontos de controle, dos quadrados dos desvios entre ui e f(xi,yi) e entre vi e g(xi,yi). Determinam-se os parâmetros de f e g tal que S seja mínimo. 5. Determinar o desvio padrão dos erros (RMS). • Se o desvio padrão for suficientemente pequeno (menor do que o lado do pixel ou, preferencialmente, metade do lado do pixel) a transformação é considerada aceitável. • Caso contrário, as coordenadas dos pontos de controle devem ser revistas e/ou novos pontos de controle devem ser incluídos no procedimento.

13. 6. Re-amostragem Como em geral não existe uma concordância perfeita entre (f(x,y),g(x,y)) e o centro do pixel na imagem original, é atribuido ao pixel (x,y) um valor segundo um dos critérios: • critério do vizinho mais próximo: o valor do pixel da imagem original com coordenadas mais próximas de (f(x,y),g(x,y)). • critério de interpolação: uma combinação dos valores dos pixels com coordenadas mais proximas de (f(x,y),g(x,y)).

14. Exemplo: 5 pontos de controle. Referência: fotografia aérea; Imagem a corrigir geometricamente: imagem SPOT Representa (x,y) do ponto de controle na foto aérea e f -1 (u,v) do ponto na imagem de satélite

15. Exemplo: coordenadas dos pontos de controle na imagem de satélite original e na imagem de referência (fotografia aérea). A resolução espacial da imagem a corrigir é de 20 metros.

16. Exemplo: para regiões maiores as deformações da imagem podem ser muito pronunciadas. Imagem original Imagem corrigida

17. Ortorrectificação da imagem Para obter uma carta com melhores propriedades cartográficas (que não é possível obter com transformações polinomiais de coordenadas, para polinómios de baixo grau), é necessário proceder a uma ortorectificação da imagem. Para tal é necessário conhecer a altimetria do terreno, a altitude da plataforma e a localização do nadir na imagem. A transformação consiste em projectar um ponto na imagem para a posição real, calculando o deslocamento radial desse ponto na imagem. Por exemplo, um ponto no terreno na Serra da Estrela, a uma altitude de 1600 metros e a uma distância de 39 kms do nadir sofre um deslocamento radial de 88,5 metros numa imagem Landsat, i.e., é deslocado aproximadamente 3 pixels na imagem.

18. Correcções radiométricas

19. Fontes de erro radiométrico Entre as diversas fontes de erro radiométrico destacam-se: • o efeito da atmosfera sobre a radiação, • o efeito do relevo • os erros instrumentais.

20. O efeito de dispersão da radiação na atmosfera é maior para c.d.o. mais curtos (região do visível) [Jen96]

21. Efeito topográfico: Numa imagem da superficie terrestre, o declive e a exposição de cada parcela de terreno afectam de forma muito significativa o sinal que é captado pelo satélite. Erros instrumentais: Estes erros podem ter causas diversas. Um factor de erro importante é a transferência input-output de cada detector. [RJ99]

22. Relação entre reflectância e sinal registado pelo sensor: um modelo simplificado O modelo linear que relaciona o nível radiométrico (por exemplo entre 0 e 255) e a reflectância (entre 0 e 1) para um pixel e uma banda é ND=a+b r em que a e b são constantes.

23. ND=a+b r A constante aditiva a modela essencialmente os efeitos de dispersão da radiação na atmosfera e erros instrumentais do sensor A constante multiplicativa bmodela essencialmente a transmitância da atmosfera e a geometria de iluminação

24. Considerando o modelo aplicado a cada banda e cada pixel: NDbanda,pixel=abanda,pixel+bbanda,pixel r Por simplicidade pode considerar-se que o valor de a depende da banda mas é independente do pixel da imagem, i.e., pode atribuir-se o mesmo valor de a a todos os pixels na mesma banda abanda,pixel=abanda O valor de b difere em geral de pixel para pixel (devido à topografia) mas pode considerar-se constante para as várias bandas bbanda,pixel= bpixel Assim, obtemos NDbanda,pixel=abanda+bpixel r

25. Estimativa da constante aditiva (a). O valor de a é maior para a comprimentos de onda menores (região do azul) e decresce para regiões de maior comprimento de onda do espectro. Técnica da “remoção do objecto escuro”: O valor de a na banda i pode ser estimado pelo valor mínimo dos NRs na banda i, quando existe na imagem algum objecto escuro (de reflectância nula).

26. Dados originais(Landsat TM) Dados corrigidos(Landsat TM) [Jen96p117] [Jen96]

27. i θ Estimativa da constante multiplicativa (b): correcção do efeito topográfico S0 é a radiância medida pelo sensor, i é o ângulo entre a direcção dos raios solares e a normal à parcela de terreno correspondente ao pixel e θ é o ângulo entre a posição do sol e do sensor Sc=S0 (cos θ / cos i), Sc é o valor da radiância corrigida.