8.1. Imagens de Satélites

Atualmente existem diversas fontes de dados geoespaciais, como os satélites de observação da Terra mostrados na Figura 8.1. Sensores a bordo de satélites como Terra e Aqua e da série Landsat, têm sido importantes instrumentos de coleta de dados sobre nosso planeta. Esses satélites produzem dados sobre superfície, oceanos, atmosfera, entre outros, servindo de insumo básico para a construção de diversas aplicações. No INPE, as imagens da série Landsat são utilizadas, por exemplo, no sistema de monitoramento da Floresta Amazônica. Através dessas imagens, o PRODES mantém o inventário de todo o desmatamento por corte raso na vegatação natural ocorrido na Amazônia Legal desde 1988.

Satélites de Observação da Terra

Figura 8.1 - Satélites de Observação da Terra.
Fonte: NASA [31].

A Figura 8.2 apresenta imagens da série Landsat para uma mesma região em duas datas diferentes. A imagem à esquerda mostra como era parte da floresta amazônica, numa região do Peru, em 13 de Novembro de 1986. A imagem à direita mostra essa mesma região no ano de 2016, onde podemos observar algumas ocupações, áreas de pastagem e estradas em áreas que antes eram floresta.

Monitoramento da mudança na cobertura

Figura 8.2 - Monitoramento da mudança na cobertura.
Fonte: Adaptado de [32].

Esta seção apresenta conceitos e terminologias importantes para o tratamento de imagens de sensoriamento remoto em bancos de dados. Vamos começar assistindo ao vídeo abaixo.


Fonte: Introdução à Programação com Dados Geoespaciais

8.1.1. Sensores Passivos e Ativos

8.1.2. Bandas Espectrais

8.1.3. Resolução Espacial

A resolução espacial se refere a área da superfície terrestre capturada por um único pixel de uma imagem. Este parâmetro influencia a precisão dos detalhes que podem ser percebidos na imagem, como apresentado nas figuras abaixo, com imagens da região da barragem de Sobradinho. Essas imagens possuem, respectivamente, resolução espacial de 10m, 60m e 100m .

Nas figuras abaixo, podemos perceber que na imagem de 100m de resolução conseguimos ver poucos detalhes da barragem. Com a imagem de 10m de resolução, já conseguimos identificar a barragem. Finalmente, na imagem de 2m, conseguimos visualizar mais detalhes sobre as feições da barragem.

8.1.4. Resolução Temporal

A resolução temporal é o tempo que um sensor leva para revisitar uma localização geográfica específica. As imagens apresentadas na figura abaixo ilustram algumas revisitas do sensor Sentinel-2/MSI à cena 21LZF (grade MGRS).

A Tabela 8.1 apresenta a resolução temporal de alguns satélites/sensores muito utilizados na área geoespacial.

Tabela 8.1 - Resolução temporal de alguns satélites/sensores.
Fontes: NASA, ESA.

Satélites

Sensores

Resolução Temporal

Landsat 5

TM

16 dias

Landsat 7

ETM+

16 dias

Landsat 8

OLI

16 dias

Landsat 9

OLI-2

16 dias

Sentinel 2A e 2B

MSI

05 dias

Terra/Aqua

MODIS

01 a 02 dias

8.1.5. Quantização

8.1.6. Formatos

As imagens de sensoriamento remoto são disponibilizadas nos mais diversos formatos. As imagens MODIS, por exemplo, são disponibilizadas no formato HDF4 (extensão .hdf). Já as imagens Landsat são distribuídas no formato GeoTIFF (extensão .tif). As imagens Sentinel 2/MSI são distribuídas no formato JPEG 2000 (extensão .jp2).

8.1.7. Distribuição de Imagens - Cenas

Os produtos de imagens de cada satélite/sensor são distribuídos em cenas que mantém alguma organização do tamanho dos arquivos de imagem. Os produtos de superfície do sendor MODIS utilizam uma grade de tiles com aproximadamete 10 graus x 10 graus na linha do equador (Figura 8.3). As imagens com 250m de resolução espacial possuem cerca de 4800 x 4800 pixels.

Grade sinusoidal dos produtos de superfície do MODIS

Figura 8.3 - Grade sinusoidal dos produtos de superfície do MODIS.
Fonte: NASA.

As imagens do Landsat 5, 7, 8 e 9 utilizam uma grade donominada Worldwide Reference System-2 (WRS-2) [33]. Nessa grade as imagens são organizadas em 233 órbitas, também chamadas de paths, numerados de 001 a 233, de leste para oeste. O path 001 cruza a Linha do Equador com 64.60 graus de longitude oeste. Cada órbita é particionada em 248 linhas ou rows, com a linha 60 coicidindo com a Linha do Equador. A expressão path/row é muito comum para nos referirmos a uma determinada cena nessa grade (Figura 8.4. O arquivo ESRI Shapefile dessa grade pode ser baixado do site da USGS.

Worldwide Reference System-2

Figura 8.4 - Worldwide Reference System-2.
Fonte: USGS.

As imagens Sentinel 2/MSI são disponibilizadas em uma grade com células de 110km x 110km em UTM/WGS84 (Figura 8.5). A grade KML pode ser baixada do site da ESA.

Grade Sentinel 2 / MSI

Figura 8.5 - Grade Sentinel 2 / MSI

8.1.8. Tiling

Organizando um *raster* em tiles (blocos)

Figura 8.6 - Organizando um raster em tiles (blocos).

8.1.9. Piramides Multiresolução

Pirâmide Multiresolução

Figura 8.7 - Pirâmide Multiresolução.

8.1.10. Características de Alguns Sensores

8.1.10.1. Série Landsat

A série de satélites Landsat têm fornecido imagens da superfície da Terra desde 1972 [42]. O Landsat 5, lançado em 1984 e descomissionado em 2013, possuia dois sensores, o Multispectral Scanner (MSS) com quatro bandas espectrais com resolução espacial de 57m x 79m e o Thematic Mapper (TM), com sete bandas espectrais, sendo seis de 30m de resolução espacial e a termal com 120m. O Landsat 7, lançado em 1999, possui um sensor denominado Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) que inclui oito bandas espectrais, sendo seis de 30m de resolução espacial, uma termal de 30m, e uma pancromática (Panchromatic ou PAN) de 15m. Lançado em 2013, o Landsat 8, possui dois sensores: o Operational Land Imager (OLI) e o Thermal Infrared Sensor (TIRS). O OLI possui nove bandas espectrais, sendo oito de 30m de resolução espacial e uma PAN de 15m, enquanto o TIRS possui duas bandas termais de 100m. Em 2021, foi lançado o Landsat 9 com aperfeiçoamentos na resolução radiométrica dos sensores, denominados de OLI-2 e TIRS-2, com quantização de 14-bit. A Figura abaixo apresenta a linha do tempo do lançamento dos satélites Landsat.

Dica

Veja: https://svs.gsfc.nasa.gov/13259.

8.1.10.1.1. Landsat 5/TM

O sensor TM a bordo do Landsat 5 realiza o imageamento da superfície terrestre usando um swath de 185km x 185km com resolução temporal de 16 dias e produz imagens de 8-bit. As características das bandas espectrais desse sensor são apresentadas na Tabela 8.2.

Tabela 8.2 - Características do sensor TM a bordo do satélite Landsat 5.
Fonte: USGS

Banda

Intervalo (\(\mu m\))

Resolução Espacial

1 - Blue

0.45 - 0.52

30 metros

2 - Green

0.52 - 0.60

3 - Red

0.63 - 0.69

4 - NIR

0.76 - 0.90

5 - SWIR

1.55 - 1.75

7 - MIR

2.08 - 2.35

6 - Thermal

10.40 - 12.50

120 metros

As imagens da coleção 2 nível 2 (produto reflectância de superfície) são disponibilizadas em arquivos GeoTIFF com 7751 x 6891 pixels(bandas de 30m), organizados em blocos de 256 x 256 pixels, com valores do tipo inteiro de 16-bit sem sinal (UInt16 ou 16-bit unsigned integer) e usando a projeção UTM com datum WGS 84. Cada uma das 07 bandas espectrais são disponibilizadas em arquivos distintos. Esses arquivos possuem seis níveis de overview com as seguintes dimensões:

  • Nível 1: 3876 x 3446 pixels.

  • Nível 2: 1938 x 1723 pixels.

  • Nível 3: 969 x 862 pixels.

  • Nível 4: 485 x 431 pixels.

  • Nível 5: 243 x 216 pixels.

  • Nível 6: 122 x 108 pixels.

Aviso

É importante ressaltar que existe uma pequena variação no número de colunas e linhas das cenas Landsat. Por isso, os valores apresentados acima, tanto da imagem em resolução plena quanto dos overviews são fornecidos apenas para dar uma idéia do tamanho dos arquivos dessas cenas. Além disso, esses valores referem-se somente às bandas de 30m.

Os dois conjuntos de imagens abaixo apresentam a composição colorida e falsa cor de duas cenas Landsat 5/TM do oeste da Bahia, nos anos de 1984 e 1990, respectivamente.

Dica

As cenas acima correspondem, respectivamente, às imagens LT05_L2SP_220070_19840620_20200918_02_T1 e LT05_L2SP_220070_19900605_20200916_02_T1 no catálogo da USGS.

8.1.10.1.2. Landsat 7/ETM+

O sensor ETM+ a bordo do Landsat 7 realiza o imageamento da superfície terrestre usando um swath de 185km x 185km com resolução temporal de 16 dias e produz imagens de 8-bit. As características das bandas espectrais desse sensor são apresentadas na Tabela 8.3.

Tabela 8.3 - Características do sensor ETM+ a bordo do satélite Landsat 7.
Fonte: USGS

Banda

Intervalo (\(\mu m\))

Resolução Espacial

1 - Blue

0.45 - 0.52

30 metros

2 - Green

0.52 - 0.60

3 - Red

0.63 - 0.69

4 - NIR

0.77 - 0.90

5 - SWIR

1.55 - 1.75

7 - MIR

2.08 - 2.35

6 - Thermal

10.40 - 12.50

60 metros

8 - PAN

0.52 - 0.90

15 metros

As imagens da coleção 2 nível 2 (produto reflectância de superfície) são disponibilizadas em arquivos GeoTIFF com 7821 x 6971 pixels (bandas de 30m), organizados em blocos de 256 x 256 pixels, com valores tipo inteiro de 16-bit sem sinal (UInt16 ou 16-bit unsigned integer) e usando a projeção UTM com datum WGS 84. Cada uma das 07 bandas espectrais são disponibilizadas em arquivos distintos. Esses arquivos possuem seis níveis de overview com as seguintes dimensões:

  • Nível 1: 3911 x 3486

  • Nível 2: 1956 x 1743

  • Nível 3: 978 x 872

  • Nível 4: 489 x 436

  • Nível 5: 245 x 218

  • Nível 6: 123 x 109

Aviso

É importante ressaltar que existe uma pequena variação no número de colunas e linhas das cenas Landsat. Por isso, os valores apresentados acima, tanto da imagem em resolução plena quanto dos overviews são fornecidos apenas para dar uma idéia do tamanho dos arquivos dessas cenas. Além disso, esses valores referem-se somente às bandas de 30m.

O conjunto de imagens abaixo apresenta a composição colorida e falsa cor de uma cenas Landsat 7/ETM+ do oeste da Bahia no ano de 2000.

Dica

A cena acima corresponde à imagem LE07_L2SP_220070_20000726_20200918_02_T1 no catálogo da USGS.

8.1.10.1.3. Landsat 8/OLI

O sensor OLI a bordo do Landsat 8 realiza o imageamento da superfície terrestre usando um swath de 185km x 185km com resolução temporal de 16 dias e produz imagens de 12-bit. As características das bandas espectrais desse sensor são apresentadas na Tabela 8.4.

Tabela 8.4 - Características do sensor OLI a bordo do satélite Landsat 8.
Fonte: USGS

Banda

Intervalo (\(\mu m\))

Resolução Espacial

1 - Coastal Aerosol

0.43 - 0.45

30 metros

2 - Blue

0.45 - 0.51

3 - Green

0.53 - 0.59

4 - Red

0.64 - 0.67

5 - NIR

0.85 - 0.88

6 - SWIR 1

1.57 - 1.65

7 - SWIR 2

2.11 - 2.29

9 - Cirrus

1.36 - 1.38

8 - PAN

0.50 - 0.68

15 metros

As imagens da coleção 2 nível 2 (produto reflectância de superfície) são disponibilizadas em arquivos GeoTIFF com 7601 x 7731 pixels, organizados em blocos de 256 x 256 pixels, com valores tipo inteiro de 16-bit sem sinal (UInt16 ou 16-bit unsigned integer) e usando a projeção UTM com datum WGS 84. Cada banda espectral é disponibilizada em um arquivos separados. Esses arquivos possuem seis níveis de overview com as seguintes dimensões:

  • Nível 1: 3801 x 3866

  • Nível 2: 1901 x 1933

  • Nível 3: 951 x 967

  • Nível 4: 476 x 484

  • Nível 5: 238 x 242

  • Nível 6: 119 x 121

Aviso

É importante ressaltar que existe uma pequena variação no número de colunas e linhas das cenas Landsat. Por isso, os valores apresentados acima, tanto da imagem em resolução plena quanto dos overviews são fornecidos apenas para dar uma idéia do tamanho dos arquivos dessas cenas. Além disso, esses valores referem-se somente às bandas de 30m.

O conjunto de imagens abaixo apresenta a composição colorida e falsa cor de uma cenas Landsat 8/OLI do oeste da Bahia no ano de 2015.

Dica

A cena acima corresponde à imagem LC08_L2SP_220070_20150728_20200908_02_T1 no catálogo da USGS.

8.1.10.1.4. Landsat 9/OLI-2

O sensor OLI-2 a bordo do Landsat 9 realiza o imageamento da superfície terrestre usando um swath de 185km x 185km com resolução temporal de 16 dias e produz imagens de 14-bit. As características das bandas espectrais desse sensor são apresentadas na Tabela 8.5.

Tabela 8.5 - Características do sensor OLI a bordo do satélite Landsat 8.
Fonte: USGS

Banda

Intervalo (\(\mu m\))

Resolução Espacial

1 - Coastal Aerosol

0.43 - 0.45

30 metros

2 - Blue

0.45 - 0.51

3 - Green

0.53 - 0.59

4 - Red

0.64 - 0.67

5 - NIR

0.85 - 0.88

6 - SWIR 1

1.57 - 1.65

7 - SWIR 2

2.11 - 2.29

9 - Cirrus

1.36 - 1.38

8 - PAN

0.50 - 0.68

15 metros

As imagens da coleção 2 nível 2 (produto reflectância de superfície) são disponibilizadas em arquivos GeoTIFF com 7601 x 7711 pixels, organizados em blocos de 256 x 256 pixels, com valores tipo inteiro de 16-bit sem sinal (UInt16 ou 16-bit unsigned integer) e usando a projeção UTM com datum WGS 84. Cada banda espectral é disponibilizada em um arquivos separados. Esses arquivos possuem seis níveis de overview com as seguintes dimensões:

  • Nível 1: 3801 x 3856

  • Nível 2: 1901 x 1928

  • Nível 3: 951 x 964

  • Nível 4: 476 x 483

  • Nível 5: 238 x 242

  • Nível 6: 119 x 121

Aviso

É importante ressaltar que existe uma pequena variação no número de colunas e linhas das cenas Landsat. Por isso, os valores apresentados acima, tanto da imagem em resolução plena quanto dos overviews são fornecidos apenas para dar uma idéia do tamanho dos arquivos dessas cenas. Além disso, esses valores referem-se somente às bandas de 30m.

O conjunto de imagens abaixo apresenta a composição colorida e falsa cor de uma cenas Landsat 9/OLI-2 do oeste da Bahia no ano de 2022.

Dica

A cena acima corresponde à imagem LC09_L2SP_220070_20220723_20230406_02_T1 no catálogo da USGS.

8.1.10.1.5. Imagens Landsat de 1984 a 2022

A figura abaixo apresenta a visa de uma mesma região com base em imagens Landsat 5, 7, 8 e 9 entre os anos de 1984 e 2022.

8.1.10.2. Sentinel-2/MSI

O sensor MSI a bordo dos satélites Sentinel-2A e 2B realiza o imageamento da superfície terrestre usando um swath de 25km x 23km com resolução temporal de 05 dias e produz imagens de 12-bit. As características das 13 bandas espectrais desse sensor são apresentadas na Tabela 8.6.

Tabela 8.6 - Características do sensor MSI a bordo dos satélite Sentinel-2.
Fonte: ESA

Banda

Intervalo (\(\eta m\))

Resolução Espacial

1 - Ultra Blue (Coastal Aerosol)

443

60 metros

2 - Blue

493

10 metros

3 - Green

560

4 - Red

665

5 - Red-edge (VNIR)

704

20 metros

6 - Red-edge (VNIR 2)

740

7 - Red-edge (VNIR 3)

783

8 - NIR

833

10 metros

8a - NIR

865

20 metros

9 - NIR (Water Vapour)

945

60 metros

10 - SWIR (Cirrus)

1374

11- SWIR

1610

20 metros

12 - SWIR

2190

Nota

Significado de algumas siglas:

  • NIR: Near Infrared.

  • VNIR: Visible and Near Infrared.

  • SWIR: Short Wave Infrared.

  • PAN: Panchromatic.

Nota

Veja a seguinte nomenclatura de bandas usada pelo STAC.