Análise Comparativa Da Aplicação de Transformações Radiométricas e Técnicas de Fusão
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7/26/2019 Anlise Comparativa Da Aplicao de Transformaes Radiomtricas e Tcnicas de Fuso
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Anlise comparativa da aplicao de transformaes radiomtricas e tcnicas de fusode imagens em rea urbana
Marcus Andre FucknerViviane Gomes Cardoso Rosa
Roberta Rosemback
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
Caixa Postal 515 - 12201-970 - So Jos dos Campos - SP, Brasil
{marcus, vivian, roberta}@dsr.inpe.br
Abstract. This paper is about radiometric corrections of CCD/CBERS-2 images of Campinas metropolitanregion, So Paulo State, your influence on image classification and your fusion with LISS-IV/IRS-P6 data.The fusion techniques tested were: IHS, Principal Components and Transformada Wavelet. The results obtained
with the CCD data fusion were compared to fusion involved a TM/Landsat-5 image of the same area. For theurban area classification, the best results were obtained with the surface reflectance data in relationship to digitallevels and at-sensor reflectance data. For the data fusion, the best results were obtained with the IHS techniqueapplication.
Palavras-chave: data fusion, CBERS, IRS, digital imagery processing, urban studies, fuso de imagens,CBERS, IRS, processamento digital de imagens, estudos urbanos.
1. Introduo
A paisagem urbana composta por um vasto nmero de elementos e materiais definindo tal
paisagem como sendo radiometricamente heterognea e complexa (Small, 2005). Estas
caractersticas tornam o uso de imagens de alta resoluo espacial imprescindvel para estudos
intra-urbanos. Por outro lado, embora apresentem resoluo espacial mdia, imagensCCD/CBERS-2 podem ser utilizadas para estudos em mesoescala, como o mapeamento da
expanso urbana, sobretudo em grandes aglomeraes, aproveitando-se do acesso gratuito s
imagens e menor custo computacional para processamento das mesmas.
Este trabalho tem como objetivo testar a influncia de transformaes radiomtricas sobre
a classificao de imagens CCD bem como tcnicas de fuso de imagens CCD com uma
imagem do sensor LISS-IV acoplado na plataforma IRS-P6.
Na atualidade, so utilizados diversos mtodos para a aplicao de transformaes
radiomtricas e fuso de imagens de sensoriamento remoto. A partir das transformaes,
espera-se obter dados que representem grandezas fsicas. A anlise da influncia de
transformaes radiomtricas (caso especfico da reflectncia aparente e de superfcie) sobre a
classificao de imagens uma rea recente de pesquisa.A fuso de imagens de sensoriamento remoto efetuada tanto com diferentes bandas de
um mesmo sensor quanto com bandas de diferentes sensores, sejam eles pticos ou que
operem em microondas. Um exemplo de fuso de imagens voltada a estudos urbanos pode ser
encontrada no trabalho de Terrettaz (1998). Este autor efetuou uma comparao entre
mtodos de fuso de imagens multiespectrais e pancromticas SPOT, avaliando os seus
resultados sobre rea urbana.
No Brasil, podem ser citadas como referncias os trabalhos de Leonardi et al. (2005) e
Telles Jnior e Rosa (2005). Leonardi et al. (2005) compararam trs mtodos de fuso: IHS,
Componentes Principais e Transformada Wavelet utilizando dados dos satlites CBERS,
SPOT, Landsat e Quickbird. Seus resultados apontaram o mtodo da fuso por Componentes
Principais como tendo apresentado o melhor resultado para a rea em estudo. Telles Jnior e
Rosa (2005) enfocaram a fuso pela Transformada Wavelet e aplicaram seus estudos com
imagens SPOT e CBERS.
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Anais XIII Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Florianpolis, Brasil, 21-26 abril 2007, INPE, p. 6343-6350.
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A rea escolhida para o desenvolvimento desta pesquisa foi o Municpio de Campinas,
devido disponibilidade de dados. Localizado na poro centro-leste do Estado de So Paulo,
a aproximadamente 100 quilmetros da capital, Campinas a maior cidade do interior de So
Paulo, e caracterizada por uma forte industrializao, intensificada a partir da dcada de1970. Alm deste, a proximidade com a capital e a estrutura remanescente da economia
cafeeira so fatores que respaldam o intenso crescimento urbano do municpio, que no ano
2000 teve uma populao total registrada de 907.997 habitantes (IPEA, 2002).
Processos tpicos das regies metropolitanas brasileiras ocorrem em Campinas, como a
formao de favelas e cortios e a forte expanso urbana, intensificando-se o processo de
verticalizao no ncleo central bem como a conurbao com cidades vizinhas ( figura 1).
Figura 1: Localizao do municpio de Campinas.
2. Material e Mtodos
A primeira etapa do trabalho compreendeu a seleo das imagens (tabela 1) e o pr-processamento. Os softwareutilizados para o processamento digital das imagens nas diversas
etapas foram o SPRING 4.2, ENVI 4.1 e ERDAS Imagine 8.5, alm de aplicativos
desenvolvidos para transformaes e fuses. Na Figura 2 apresentado o fluxogramametodolgico do trabalho.
Na etapa de pr-processamento as duas cenas CCD foram mosaicadas. Em seguida, as
imagens CCD e TM foram recortadas e registradas em relao a imagem IRS-P6, recortada
inicialmente. Na imagem CCD foi aplicado um filtro de restaurao e na imagem IRS umaumento linear de contraste.
Tabela 1: Caractersticas das imagens utilizadasSatlite(Sensor)
ResoluoEspacial
BandasFaixa
imageadaResoluotemporal
Cena(rbita/Ponto)
Data deaquisio
IRS-P6
(LISS-IV)5,8m
Monocromtica
0,62 - 0,68m (vermelho)70 km 5 dias
331/9411/02/05
CBERS-2
(CCD)20m
Multiespectrais0,45 0,52 m (azul)
0,52 - 0,59 m (verde)0,63 - 0,69 m (vermelho)
0,77 - 0,89 m (IVP)
113 km 26 dias 155/125 e155/126
17/02/05
LANDSAT-5
(TM)30m
Multiespectrais0,52 - 0,60 m (verde)
0,63 - 0,69 m (vermelho)0,76 - 0,90 m (IVP)
185 km 16 dias 219/76 19/03/05
BRASIL
SO PAULO
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Figura 2:Fluxograma metodolgico.
Alm da restaurao, a imagem CCD original foi convertida para valores de reflectncia
aparente e reflectncia de superfcie. Estas transformaes efetuaram-se atravs do aplicativo
SCORADIS (Machado et al., 2003), desenvolvido pelo Centro de Estudos Meteorolgicos e
Climticos Aplicados Agricultura da Universidade Estadual de Campinas (CEPAGRI/
UNICAMP) para aplicar o modelo 5S (Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre
Solaire) de correo atmosfrica. O modelo inclui como parmetros de entrada a data deaquisio da imagem, longitude e latitude, modelo de aerossis (continental, martimo,
urbano, particular, sem aerossis), modelo atmosfrico (vero, inverno, tropical, sem absoro
gasosa) e visibilidade, apresentando versatilidade conforme a realidade da cena.As imagens em nvel digital originais, em reflectncia aparente e de superfcie foram
submetidas segmentao segundo o mtodo de crescimento de regies e, posteriormente,
classificadas pelo mtodo no-supervisionado ISOSEG, para avaliar os impactos das
transformaes radiomtricas. A etapa seguinte compreendeu a execuo de transformadas
nas imagens originais que precederam as fuses.
A fuso por IHS foi executada a partir de uma transformao das composies coloridas
falsa-cor R3G4B2 e R4G3B2 (dados de entrada), resultando em trs bandas: I (Intensity)
Intensidade, H (Hue) Matiz e S (Saturation) Saturao. Na transformao IHS inversa foi
substituda a componente I pela banda monocromtica LISS-IV e inseridas as componentes H
e S (semou com offsetde 50 nveis de cinza na componente S).
A fuso tambm foi efetuada a partir da Transformao por Componentes Principais,comumente empregada para a reduo da dimensionalidade dos dados. Para a fuso, a
primeira componente foi substituda pela imagem monocromtica, que apresenta como
caracterstica intrnseca uma maior varincia, refletindo na quantidade de informao.
O terceiro mtodo de fuso empregado foi a Transformada Wavelet,atravs do aplicativo
Wavefusion, desenvolvido por Ventura (2002). O mtodo Wavelet efetua inicialmente uma
uniformizao da imagem pancromtica em relao s imagens multiespectrais. Em seguida,
o algoritmo efetua a transformao da imagem em cpias de diferentes resolues,
armazenando separadamente os detalhes da imagem por meio de informaes horizontais,
diagonais e verticais.
Os produtos das diferentes tcnicas de fuso empregadas foram avaliados visualmente,
quanto manuteno das cores originais da composio multiespectral. O resultado da fusopelo mtodo IHS tambm foi comparado com a fuso considerando as bandas multiespectrais
2, 3 e 4 do sensor TM/Landsat-5.
Imagem Cbers-CCDImagem IRS-P6
Original Restaurada
Recorte
Re i st ro
Mosaico
Restaura o
ReflectnciaAparente
TCPs
Se m enta o
Classifica o
Com osi oRGB
Transformada
Wavelet
ReflectnciadeSuperfcie
Imagem Landsat-TM
FusoIHSFusoWavelet
Imagens Hbridas
Fuso CPs
TransformadaIHS
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3. Resultados e Discusso
3.1 Pr-Processamento
Para a restaurao das bandas originais CCD foram testados diversos valores de EIFOV,tendo a avaliao dos resultados sido feita visualmente. Os melhores resultados foram
encontrados com 40 em X e 34 em Y, coeficientes que foram adotados para todas as bandas.
Os resultados da restaurao em uma viso geral da imagem so apresentados na Figura 3.
Figura 3: Visualizao da imagem CCD restaurada (R4G3B2). No detalhe, imagem original.
Visivelmente no foi observado rudo e, por essa razo, acredita-se que a quantidade de
informao apresentada seja maior, em virtude do aumento proporcional na varincia
das imagens, considerando todas as bandas, como mostra a Tabela 2.
Tabela 2:Varincia das bandas originais e transformadas do sensor CCD/CBERS-2Banda CCD/CBERS Original Restaurada1 ReflectnciaAparente
Reflectncia deSuperfcie2
Banda 1 966,86 1047,97 18,33 32,02Banda 2 370,69 414,68 26,18 42,92Banda 3 162,48 175,92 42,43 64,09Banda 4 594,87 649,10 96,39 136,95
1 As bandas originais foram restauradas atravs do mtodo do Filtro Inverso Modificado.2A correo atmosfrica das imagens foi efetuada segundo o mtodo 5S.
3.2 Transformaes Radiomtricas
As imagens CCD em reflectncia aparente e reflectncia de superfcie so apresentadas na
Figura 4. Os parmetros utilizados no modelo 5S foram: modelo tropical de atmosfera,modelo continental de aerossis e 20 km de visibilidade.
Figura 4: Imagem CCD original (ND) e imagens transformadas para reflectncia aparente(Ra) e reflectncia de superfcie (Rs). Composio colorida R3G4B2sem contraste.
As imagens transformadas e a imagem original foram segmentadas considerando os
valores de 8 e 10 nveis de cinza para a similaridade e de 30 e 50 pixels para a rea, a partir
das bandas 2, 3 e 4 dos sensor CCD. Os diferentes limiares foram aplicados a fim de avaliar
ND Ra Rs
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visualmente o valor mais adequado cena. A Figura 5apresenta o resultado da segmentaocom os diferentes limiares para um recorte da imagem CCD. O limiar escolhido para a
segmentao foi de 10 nveis de cinza de similaridade e 30 pixels como rea mnima de
aceitao. Apesar de visualmente as segmentaes das imagens de reflectncia aparente e desuperfcie apresentarem melhor separabilidade dos alvos, o procedimento de classificao foi
realizado tambm para a imagem em nvel digital original.
Figura 5:Testes de Segmentao da imagem CCD com diferentes limiares.
Partindo da segmentao considerando o limiar 10 x 50, as imagens foram classificadas
sem a escolha de reas de treinamento pelo ISOSEG, considerando um limiar de aceitao de
90% (figura 6). O limiar 10 x 50 foi escolhido por apresentar, no espao intra-urbano, amelhor separao de reas mais densamente ocupadas em relao s demais.
O resultado da classificao utilizando como base a imagem que sofreu correo
atmosfrica apresentou melhor desempenho. Pode-se observar que, neste caso, a rea urbana
(aparece na figura em verde) foi diferenciada das reas de vegetao (em vermelho). Almdisso, foi diferenciada a rea de ocupao urbana mais densa, correspondente poro
central do municpio de Campinas (em preto).
ND Segmentao 8 X 30 ND Segmentao 10 X 50 ND Segmentao 10 X 30
Ra Segmentao 8 X 30 Ra Segmentao 10 X 50 Rs Segmentao 10 X 30
Rs Segmentao 8 X 30 Rs Segmentao 10 X 50 Rs Segmentao 10 X 30
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Figura 6:Classificao no-supervisionada das imagens CCD/CBERS.
3.3 Fuso de imagens
A fuso de imagens CCD e LISS-IV foi efetuada segundo trs mtodos de transformao:
IHS, Wavelete Componentes Principais. Os resultados da fuso pelo mtodo de ComponentesPrincipais so apresentados na Figura 7,considerando a fuso com a substituio da primeiracomponente pela imagem monocromtica.
Figura 7: Imagem hbrida (detalhe) para a imagens original (ND) e restaurada (REST).
A fuso pela Transformada Wavelet atravs do aplicativo Wavefusiongerou trs imagensque, em falsa-cor, podem ser visualizadas, para um recorte da imagem, na Figura 8.Comparando com a fuso por Componentes Principais, observa-se que a Wavelet preservou
melhor a informao de cores e os atributos espaciais, possivelmente como conseqncia da
filtragem realizada na imagem ao ser transformada.
Figura 8:Fuso atravs da Transformada Wavelet (detalhe).
A fuso por IHS foi aplicada tanto s imagens CCD quanto s imagens TM. A Figura 9apresenta as imagens originais realadas por contraste e a imagem monocromtica.
Figura 9: Imagens IRS, CBERS e LANDSAT utilizadas para a fuso de imagens.
CCD R3G4B2 com contraste TM R3G4B2 contrasteIRS original IRS com contraste
ND REST
R3G4B2 R4G3B2
Imagem Original R3G4B2 Classificao ISOSEG 90% Classificao ISOSEG 90% Classificao ISOSEG 90%Nvel Digital Reflectncia Aparente Reflectncia de Superfcie
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Os resultados obtidos com a aplicao do mtodo de fuso IHS podem ser visualizados na
Figura 10. Visualmente, o mtodo IHS foi o que apresentou os melhores resultados na fuso.Embora os intervalos espectrais das bandas utilizadas (2, 3 e 4) sejam praticamente os
mesmos, a representao das cores dos alvos no espao RGB foi diferente para o TM emrelao ao CCD. A aplicao de um offsetde 50 nveis de cinza na componente S Saturao
inserida na transformao inversa no tornou as imagens mais ntidas, como era esperado.
Figura 10: Resultados da fuso pelo mtodo IHS para as imagens CCD e TM com e semaplicao de offset na componente Saturao.
3.3.1 Avaliao dos Resultados
Os aspectos mais importantes a serem avaliados nos resultados de uma fuso de imagens,
conforme apontam Leonardi et al. (2005), so a qualidade espectral e a qualidade espacial daimagem hbrida. Um mtodo de fuso eficiente seria aquele capaz de preservar a informao
de cores das imagens originais multiespectrais (qualidade espectral) e os detalhes espaciais da
imagem pancromtica, no produto hbrido gerado a partir da fuso. As autoras (op. cit.) citam
como formas de avaliao medidas estatsticas, imagem diferena e o IQI (Image Quality
Index), desenvolvido por Wang e Bovik (2002).
Por sua vez, Telles Jnior e Rosa (2005) consideram que uma imagem com erros de
registro pode levar ao surgimento de falsas cores e feies artificiais aps a fuso. Alm
disso, importante considerar que a fuso pelo mtodo IHS apresenta bons resultados quanto
representao de cores somente quando a imagem pancromtica apresenta um intervalo
espectral que engloba o intervalo das trs bandas multiespectrais de entrada.
Embora visualmente os melhores resultados com a fuso de imagens tenham sido obtidoscom o mtodo IHS, no houve boa representao de cores porque a imagem utilizada no
pancromtica, e sim, monocromtica, tendo como intervalo espectral somente a faixa do
vermelho, de 0,62 a 0,68 m. Embora o satlite IRS-P6, tambm conhecido como
Resourcesat-1, seja um aprimoramento do satlite IRS-1D, o qual dispunha de uma banda
pancromtica com intervalo espectral de 0,5 a 0,75 m e 6 m de resoluo espacial, ele no
possui uma banda pancromtica. Conforme NRSA (2003), o IRS-P6 possui trs sensores a
bordo: oLinear Imaging and Self Scanning Sensor(LISS-III), oAdvanced Wide Field Sensor
(AWiFS) e o LISS-IV. A LISS-IV uma cmara multiespectral de alta resoluo espacial,
chegando a 5,8 m no nadir, e possui dois modos de aquisio. No multiespectral, os dados so
adquiridos em trs faixas espectrais: 0,52 0,59 m, 0,62 0,68 m e 0,76 0,86 m. No
monocromtico, apenas uma banda opera (no caso, a vermelha), obtendo imagens de uma
faixa de 70 km, com a mesma resoluo espacial do modo multiespectral, que imageia apenas
CCD R3G4B2 (offset 50) TM R3G4B2 (offset 50) CCD R3G3B2 (offset 50) TM R4G3B2 (offset 50)
CCD R3G4B2 (sem offset) TM R3G4B2 (sem offset) CCD R4G3B2 (sem offset) TM R4G3B2 (sem offset)
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23 km. Por essa razo, as imagens monocromticas deste sensor no esto entre as mais
adequadas para a realizao de processamentos digitais que envolvam a fuso de imagens.
4. ConclusesA aplicao das transformaes radiomtricas sobre imagens CCD, em especial a correo
atmosfrica, facilitou a classificao, considerando o mtodo no-supervisionado ISOSEG.
Embora tenha sido reduzida a varincia das bandas aps a converso para reflectncia e
correo atmosfrica, em virtude da forte heterogeneidade espectral das reas urbanas
conclui-se que uma varincia elevada no ideal para a classificao na rea em questo.
Os mtodos de fuso de imagens aplicados mostraram resultados distintos quanto
qualidade visual das imagens hbridas. Considerando as tcnicas de Componentes Principais,
Transformada Wavelet e IHS, os melhores resultados foram obtidos com o mtodo IHS,
embora a qualidade espectral tenha sido reduzida em funo do no recobrimento do intervalo
espectral das imagens CCD e TM pela banda pancromtica utilizada que, na verdade, umaimagem monocromtica da faixa do vermelho.
Finalizando, este trabalho permitiu estender a possibilidade de aplicao dos dados CCD
em estudos urbanos, consolidando sua utilidade nas pesquisas desenvolvidas no campo do
sensoriamento remoto. Alm disso, testou mtodos de fuso de forma pioneira com uma
imagem de um sistema sensor ainda pouco conhecido no Brasil, o indiano LISS-IV.
5. Agradecimentos
Agradecemos contribuio dos pesquisadores do INPE Madalena N. Pereira por ceder a
imagem LISS-IV/IRS-P6 para a fuso; Flvio J. Ponzoni, pelo apoio na execuo das
transformaes radiomtricas e Slvia S. Leonardi, na aplicao da Transformada Wavelet.
Agradecemos tambm a OBT/INPE pelo acesso gratuito s imagens CCD/CBERS-2.
6. Referncias Bibliogrficas
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