Princípios básicos para a interpretação de
Imagens de Satélite Meteorológicos

1. Introdução

As observações ambientais vem sendo realizadas desde 1960, quando foi lançado pelos E.U.A. o satélite ambiental TIROS-1 (Television and Infrared Observation Satellite), destinado a coletar informações sobre a atmosfera terrestre. Entende-se por satélite ambiental qualquer satélite que forneça dados do planeta Terra.

Esses satélites observam a Terra a partir de dois tipos principais de órbita:

1.1. Órbita quase polar heliossíncrona: Órbita quase polar, quase circular, com altura variando entre 800 a 1200km. A combinação do movimento do satélite com o movimento de rotação da Terra permite a obtenção de faixas com dados de satélite com larguras de até 3000km; a altitude ou a inclinação da órbita podem ser combinadas de modo que o movimento do satélite seja heliossíncrono (o satélite passa numa dada posição geográfica sempre na mesma hora solar local, ou seja, as observações são sempre feitas nas mesmas condições de iluminação solar) e de modo a fornecer uma cobertura global a cada 12 horas.

1.2. Órbita geossíncrona ou geoestacionária: Órbita na qual o satélite fica parado em relação à Terra, ou seja, seu movimento a uma altura aproximada de 36000km é síncrono com o movimento de rotação da Terra; isto permite o monitoramento quase contínuo do disco planetário voltado para o satélite.

2. Fundamentos do sensoriamento remoto

O sensoriamento remoto fundamenta-se na propagação de radiação eletromagnética (*) em forma de ondas e sua interação com alvos naturais (nuvens, superfícies continentais e oceânicas, aerossóis etc...). Os sinais que atingem um sensor a bordo de um satélite são de caráter eletromagnético.
O espectro eletromagnético compreende uma vasta gama de comprimentos de onda, classificadas por região: raios gama, raios X, ultravioleta, visível, infravermelho, microondas, e ondas de rádio.

(*)radiação eletromagnética: forma de energia que se propaga através do espaço.

Para a compreensão da técnica de sensoriamento remoto é fundamental que se conheça as principais características dos espectros de emissão do Sol e da Terra: A principal fonte de energia para os fenômenos que ocorrem em nosso planeta é a radiação solar (ou radiação de ondas curtas). Esta é concentrada principalmente na região do visível (entre cerca de 0.4 a 0.7µm). Ao interagir com o sistema Terra-atmosfera, a radiação solar sofre uma série de transformações sendo então reemitida para o espaço na forma de radiação terrestre (ou radiação de ondas longas). Concentra-se principalmente no infravermelho termal (entre cerca de 4 a 100µm).

3. Características das imagens do visível e do infra-vermelho

3.1. Visível (VIS): imagem do visível é resultado da reflexão da radiação solar, pelas nuvens e pela superfície da Terra. O brilho neste tipo de imagem é uma indicação do albedo (*) dos alvos: tons claros representam área de alto albedo e tons mais escuros representam áreas de baixo albedo. O brilho de uma nuvem, conforme vista do espaço, é afetada pela posição angular da nuvem em relação ao sensor e ao Sol, na hora da observação e pela refletividade da própria nuvem . A refletividade , por sua vez, está relacionada com a profundidade da nuvem, distribuição e tamanho das gotas, composição (gotas de água ou gelo) e conteúdo de água líquida.

(*) albedo: é a porcentagem da radiação solar refletida.

3.2. Infravermelho (IR): Os sensores de radiação infravermelho medem a energia emitida pela superfície e pela atmosfera da Terra. A quantidade de energia emitida depende da temperatura da fonte radiativa. Na imagem do infravermelho, por convenção, tons claros representam áreas frias e tons escuros representam áreas quentes.

4. Base para interpretação de imagens:

Em geral as medidas dos satélites são indiretas e requerem interpretação. Não é uma técnica auto-suficiente, isto é, não elimina a necessidade de outros tipos de dados. A interpretação de imagens segue um processo intuitivo. Este processo é baseado em três aspectos de interpretação:

4.1. Variações no campo espectral: Neste aspecto devemos considerar que tudo que conseguimos distinguir em uma imagem visível ou infravermelha decorre de variações do campo espectral das várias superfícies presentes (nuvens, solo,água). Devemos raciocinar associando qualquer superfície em uma imagem com a energia que dela provém; ou seja, temos que pensar em níveis de energia refletida (VIS) ou emitida (IV).

Assim uma imagem do visível deve ser interpretada da seguinte maneira:

A) A imagem visível representa radiação refletida em uma faixa do espectro que nossos olhos podem captar.
B) Se a cor é branca, e a intensidade é forte, então a superfície reflete muita radiação (Esta superfície deve então ser ou uma nuvem densa, ou neve como por exemplo).

Para a imagem do infra vermelho:

A) A imagem infravermelha representa radiação emitida em uma faixa do espectro que nossos olhos não podem captar.
B) Se a cor é cinza escuro, então a superfície emite pouca radiação por estar relativamente quente (Esta superfície deve ser então uma nuvem baixa como por exemplo).

4.2. Variações do campo espacial: Por variações no campo espacial em uma imagem visível ou infravermelha, entende-se as diferentes características geométricas que auxiliam na identificação das várias superfícies como forma, tamanho, textura, padrão característico e localização geográfica. Uma nuvem cumulonimbus ativa e isolada apresenta uma forma típica de uma "pipoca estourada". Ao fazermos esta inferência estamos levando em conta a forma, o tamanho, a textura e certamente a experiência prévia no seu reconhecimento.
Quando em regiões costeiras de uma imagem identificamos nuvens resultantes da brisa marítima, estamos automaticamente utilizando a localização geográfica das nuvens como um elemento para explicar sua formação e localização.
No caso de padrões específicos, a presença de ciclones (centros de baixa pressão) com nuvens dispostas em espiral, é um exemplo de padrão que passa a se tornar facilmente identificavel à medida que se adquire experiência.
A análise do campo espacial é sempre feita em conjunto com a espectral.

4.3. Variações do campo temporal: Este aspecto da interpretação leva em conta variações que ocorrem no decorrer do tempo. Com elas acompanhamos a formação e dissipação de sistemas convectivos, o avanço de uma frente fria, a penetração de uma brisa marítima entre outros fenômenos meteorológicos.

5.Tratamento digital básico:

A área de tratamento digital de imagens encontra-se em franco desenvolvimento de modo que a cada dia aparecem novas metodologias destinadas a auxiliar o tratamento e interpretação de dados de sensoriamento remoto. Algumas dessas técnicas foram consagradas pelo uso e implementadas em caráter operacional.

5.1. Animação: Esta técnica é bastante utilizada no monitoramento de sistemas meteorológicos e consiste em visualizar, no monitor de vídeo, uma sequência temporal das imagens quadro a quadro, pelo processo de animação convencional. O intervalo de tempo é ditado pela resolução espacial e escala dos fenômenos a serem analizados . Imagens de satélite normalmente exibem nuvens que se movem em relação à Terra.

5.2. Zoom (ampliação): A técnica de ampliação de setores da imagem é o recurso utilizado quando se busca um maior detalhamento do fenômeno meteorológico de interesse. Isto é particularmente importante quando a imagem completa não pode ser visualizada com resolução espacial plena, em vista das limitações da resolução do monitor de vídeo. Neste caso, setoriza-se a imagem, escolhendo-se áreas menores de modo a maximizar a resolução espacial.

5.3. Técnicas de realce: Esta é uma técnica utilizada para aumentar o contraste e a nitidez de uma imagem com a finalidade de facilitar a interpretação. Cada elemento na imagem digital possui um numero (count) ao qual pode ser atribuido uma tonalidade de cinza ou uma cor, correspondente às radiâncias medidas. Realce é um ajuste no nível de cinza (ou cor) que produz uma imagem digital com os níveis de cinza (ou cores) alterados conforme alguma regra pré-estabelecida. Técnicas de realce podem ser utilizadas para a identificação de atividade convectiva severa.