Sensoriamento Remoto como Ferramenta para o Ensino de Física

## SENSORIAMENTO REMOTO COMO FERRAMENTA PARA O ENSINO DE FÍSICA

Ruy M. Castro a,b [rmcastro@ieav.cta.br]

Romero C. Moreira [moreira@ieav.cta.br] a

Enio S. C. Espósito a [Enio@ieav.cta.br]

Eduardo V. D. Lucca [lucca@ieav.cta.br] a

a Divisão de Sensoriamento Remoto - Instituto de Estudos Avançados - Centro Técnico Aeroespacial b Departamento de Matemática e Física - Universidade de Taubaté

## RESUMO

Atualmente as atividades de Sensoriamento Remoto (SR) estão relacionadas, principalmente, com as suas aplicações (Meio Ambiente, Geociências, Cartografia, etc.) de forte impacto econômico. Mesmo existindo alguns trabalhos que estimulem o uso (em ensino) do SR, principalmente em meio ambiente, a sua utilização para o ensino de física é muito pequena. Assim, a partir da disciplina de 'Princípios Físicos de Sensoriamento Remoto', do curso de SR ministrada pela Divisão de Sensoriamento Remoto (ESR) do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) do Centro Técnico Aeroespacial (CTA), observou-se que o Sensoriamento Remoto pode ser uma ferramenta motivadora no ensino de física, com o forte apelo das ferramentas tecnológicas existentes (imagens de satélites, etc.) e da grande quantidade de informação disponível (gratuitamente) na Internet.

## INTRODUÇÃO

A utilização do SR em ensino tem sido pouco explorada e os poucos trabalhos existentes estão voltados para a área de ciências ambientais [1], sendo que a utilização do SR é ainda menos expressiva.

Como uma das atividades da ESR é disseminar os conhecimentos em Sensoriamento Remoto, a ESR tem sido solicitada a ministrar cursos introdutórios de SR, para várias entidades governamentais, incluindo profissionais das mais diversas áreas. Assim, a partir de uma das disciplinas destes cursos, 'Princípios Físicos de Sensoriamento Remoto', que apresenta os conceitos fundamentais de física necessários para a utilização do SR, verificou-se a possibilidade de utilizar o SR para ensinar física.

## Sensoriamento Remoto

O SR pode ser entendido como um processo de medição/observação, por meio de vários sensores, de dados coletados remotamente, para que sejam analisados no intuito de gerar informação acerca de objetos, áreas, ou fenômenos. Os dados coletados remotamente podem apresentar-se de muitas formas: podem ser variações na distribuição de forças, ondas acústicas, radiação eletromagnética (percebida, em parte, pelo olho humano - por exemplo), etc. Assim, o SR eletromagnético seria o conjunto de atividades que têm por objetivo determinar propriedades de alvos pela detecção, registro e análise da radiação eletromagnética por eles refletida e/ou emitida.

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## Evolução Histórica

- O SR moderno é o 'descendente' natural da fotografia convencional, tendo surgido com a evolução das técnicas que permitem detectar e registrar outras formas de radiação eletromagnética além da luz visível.
- O SR inicia-se na antigüidade com a tentativa de observação dos corpos celestes. Com o desenvolvimento da fotografia, no Século 19, são obtidas as primeiras imagens aéreas, a partir de balões. No início do século 20 as imagens passam a ser obtidas por meio de aviões, havendo uma grande expansão do reconhecimento aéreo a partir das duas guerras mundiais.

Com o lançamento de satélites, dos projetos espaciais e do crescimento da ciência da computação, o SR ganhou um novo impulso a partir do final dos anos 50. O desenvolvimento conjunto dessas tecnologias fez com que o SR viesse a englobar não apenas diferentes tipos de imagens e sensores, mas também, devido ao emprego de técnicas de processamento de imagens digitais, propiciar a geração de uma gama de produtos bem mais variada que a oferecida até então pelas técnicas e sensores fotográficos tradicionais. A partir daí houve uma evolução dos sensores e nas formas de aquisição, com uma conseqüente diversificação das aplicações.

Existem várias formas de se caracterizar sistemas de SR. Podem ser discriminados quanto ao nível de aquisição (terrestre, aéreo e orbital), ou quanto ao processo de detecção (fotográfica ou eletrônica), por exemplo. A caracterização mais usual delas é obtida em função do domínio espectral, ou seja, da porção do Espectro Eletromagnético por eles explorada (visível, infravermelho próximo, infravermelho médio, infravermelho distante ou termal, microondas, etc.). Alguns sistemas, por operarem em mais de uma faixa espectral, recebem a denominação multiespectral , ou hiperespectral , em função do número de detectores.

## ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO E INTERAÇÃO COM A MATÉRIA

A faixa de comprimentos de onda ou freqüência em que se pode encontrar a radiação eletromagnética é praticamente ilimitada. Com a tecnologia atualmente disponível, pode-se gerar ou detectar a radiação numa extensa faixa de freqüência, que se estende de aproximadamente 1 a 10 24 Hz, ou comprimentos de onda de aproximadamente 10 a 10 8 -15 metros.

Este espectro é subdividido em faixas, representando regiões que possuem características peculiares em termos de processos de detecção desta energia. No caso de sensores eletroópticos a região de interesse do espectro eletromagnético varia principalmente entre comprimentos de onda de 0,45 e 15 µ m.

A radiação eletromagnética (REM) proveniente de um objeto tem duas origens possíveis: a reflexão e a emissão. A reflexão ocorre a partir de um simples espalhamento do fóton. A emissão envolve uma absorção seguida da emissão, em outros comprimentos de onda, de fontes radiantes no ambiente em que se encontra o objeto.

A 'linha divisória' entre a contribuição da radiação refletida e o da emitida encontra-se em torno de 3 µ m. Assim, abaixo desse comprimento de onda, predomina a radiação refletida, enquanto acima dele, prevalece a radiação emitida. A quantidade de radiação eletromagnética que o corpo pode emitir depende basicamente da sua temperatura.

As características de reflectância de objetos na superfície terrestre podem ser quantificadas medindo-se a porção da energia incidente que é refletida. Tal medição é feita como função do comprimento de onda e é chamada de reflectância espectral . Um gráfico da reflectância espectral de um objeto, em função do comprimento de onda, é conhecido como curva de reflectância espectral . A configuração dessa curva denota as características espectrais do objeto e a experiência tem mostrado que muitos materiais de interesse na superfície terrestre podem ser identificados, mapeados e estudados, tomando-se por base suas características espectrais. Assim, muitos objetivos da superfície podem ser diferenciados uns dos outros pelas características da curva de reflectância obtida.

Além de refletir e emitir a REM um objeto também pode absorver a radiação eletromagnética. A absorção resulta na efetiva perda de energia da radiação e, normalmente, ocorre em comprimentos de onda específicos. Os absorvedores de radiação mais importantes para o sensoriamento remoto são o vapor d'água, o dióxido de carbono e o ozônio, pois estes gases encontram-se dispersos na atmosfera e absorvem a radiação solar. Pelo fato desses gases tenderem a absorver REM em comprimentos de onda específicos, eles influenciam fortemente a faixa de espectral a ser 'observada' por qualquer sistema de SR.

## EXEMPLO DE APLICAÇÃO

Um exemplo clássico da utilização do SR para a identificação de alvos, utilizando as propriedades da interação com a matéria, p ode ser observado na Figura 1. No recorte de cima foi gerada a imagem RGB em cor verdadeira utilizando-se as bandas 9 (no comprimento de onda de 685 nm), 5 (570 nm) e 2 (485 nm) do Hyperspectral Scanner System - HSS 1 , onde os alvos são vistos na impressão visual comum ao ser humano. Já no recorte de baixo foi realizada uma composição falsa-cor, onde a banda 13 (800 nm), que capta a energia da região do Infravermelho Próximo (IVP), foi posta no lugar da banda 9, associada à cor vermelha. Observa-se nessa nova composição colorida que a vegetação verdadeira, cuja resposta no IVP é bem mais intensa que no vermelho, passa a ser facilmente distinta pela cor vermelho exceto por um alvo bastante peculiar: o campo verde, indicado pelas setas em ambas composições. Esse campo é efetivamente verde aos nossos olhos, no entanto, não se trata de vegetação natural, mas sim de um gramado artificial, cuja intensidade de resposta no IVP tem a mesma intensidade da resposta no Vermelho. Por isso, não se tratando do comportamento espectral de vegetação, o campo permanece verde na imagem falsa-cor com a banda do IVP, ao invés de vermelho intenso, como ocorre para os alvos de vegetação verdadeira.

Exemplos semelhantes podem ser obtidos, por exemplo, a partir dos dados disponibilizados pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) para as imagens do satélite CBERS-2 [2]. Dos vários softwares disponíveis para o processamento das imagens pode-se citar o SPRING,

desenvolvido pela Divisão de Processamento de Imagens do INPE, que pode ser obtido gratuitamente pela Internet [3,4] e conta com manual, tutorial e banco de dados de exemplos.

Figura 1: Dois recortes de imagens de uma mesma cena obtida com o Sensor HSS (Ver texto para maiores detalhes).

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## CONCLUSÃO

O Sensoriamento Remoto pode ser uma ferramenta interessante no ensino da física. Assim, acreditamos que este trabalho que já vem sendo aplicado possa ser expandido sem grandes dificuldades para o ensino superior e médio, fornecendo importantes subsídios para o ensino da física.

## REFERÊNCIAS

- [1] Divisão de Sensoriamento Remoto -INPE, http://www.dsr.inpe.br/education.htm, Último acesso em 10 de setembro de 2004.
- [2] Satélite Sino-Brasileiro de Recursos Terrestres, http://www.obt.inpe.br/cbers/cbers.htm, Último acesso em 10 de setembro de 2004.
- [3] Sistema de Processamento de Informações Georeferenciadas -SPING,
- http://www.dpi.inpe.br/spring/portugues/index.html, Último acesso em 10 de setembro de 2004.
- [4] Camara G, Souza RCM, Freitas UM, Garrido, "SPRING: Integrating remote sensing and GIS by object-oriented data modelling", J Computers &amp; Graphics, 20: (3) 395-403, 1996.