Análise de imagens full polarimétricas ALOS/PALSAR-2 para discriminação do uso de cobertura da terra em região de influência da Floresta Nacional do Tapajós.

Autores

¹Wiederkehr, N.C.; ²Gama, F.F.; ³Mura, J.C.; ⁴Santos, J.R.; ⁵Bispo, P.C.; ⁶Liesenberg, V.

¹INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS Email: natalia.wiederkehr@inpe.br
²INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS Email: fabio@dpi.inpe.br
³INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS Email: mura@dpi.inpe.br
⁴INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS Email: jrsantos.inpe@gmail.com
⁵UNIVERSITY OF LEICESTER Email: pdcb1@leicester.ac.uk
⁶UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA Email: veraldo.liesenberg@udesc.br

Resumo

O presente trabalho tem como objetivo analisar a capacidade de dados full polarimétricos do ALOS/PALSAR-2 para a discriminação temática de uso e cobertura da terra, tendo como área de estudo uma porção da Floresta Nacional do Tapajós (FNT) e áreas adjacentes, no Estado do Pará. O recorte espacial no sítio de investigação tem aproximadamente 1.195,45 km² compreendendo porções de remanescentes das florestas ombrófilas densa e aberta em diferentes estágios sucessionais, além de áreas com exploração madeireira sustentável. Adicionalmente, na área perimetral dessa Unidade de Conservação (UC), na margem esquerda da BR-163 que liga Santarém a Cuiabá, a paisagem é constituída por extensas áreas de agricultura mecanizada (arroz, soja, milho,) e de pastagens, encontrando-se ainda áreas de agricultura familiar e fragmento de floresta degradada. Considerando a frequente cobertura de nuvens e condicoes atmosfericas adversas nas áreas tropicais torna-se difícil à aquisição periódica de dados sensoriados na região do espectro do visível objetivando a analise e monitoramento do uso e cobertura da terra. Diante disso, a comunidade científica tem ampliado o quadro de produtos sensoriados na região de microondas, tais como os dados SAR (Synthetic Aperture Radar). Algumas das aplicações destes dados - podem ser observadas em diversos trabalhos relacionados à análise e caracterização de áreas na Floresta Amazônica. Os produtos SAR mais utilizados em tais estudos tem sido os sensores: TerraSAR-X, TanDEM-X e Cosmo-Skymed, em banda X; RADARSAT-1 e RADARSAT-2, em banda C; ALOS/PALSAR 1 em banda L; e alguns estudos usando o sensor aerotransportado alemão Radar System, em banda P . As principais técnicas SAR utilizadas para estudos florestais e caracterização do uso e cobertura da terra são a polarimetria e interferometria. O presente estudo focará na aplicação da polarimetria para a caracterização da paisagem. Os radares imageadores polarimétricos registram a informação de amplitude e fase que possibilitam um maior conhecimento sobre as características físicas e elétricas dos alvos e facilitam a representação e discriminação desses alvos na superfície terrestre. Permitindo também, efetuar uma análise e identificação dos tipos de mecanismos de espalhamento que ocorre durante o processo de interação entre o alvo e a radiação eletromagnética na faixa as microondas. Diversos radares imageadores em nível orbital estão operantes atualmente, dentre os quais o RadarSat-2, Cosmo-Skymed, TerraSAR-X, TanDEM-X e o Sentinel 1 A/B. Um dos mais recentes em disponibilidade de dados, que está no contexto deste trabalho, é o sensor Array L-band Synthetic Aperture Radar (PALSAR) a bordo do satélite Advanced Land Observing Satellite (ALOS-2). O ALOS/PALSAR-2 é continuidade da missão do ALOS-1 e apresenta uma capacidade resolutiva significativamente melhorada. A resolução espacial do ALOS/PALSAR-2 no modo Strip Map é de 1m x 3m nas direções de azimute e range, respectivamente, enquanto que no ALOS/PALSAR-1 a resolução é de 10m. O tempo de revisita foi melhorado de 46 dias para 14 dias. O imageamento pode ser realizado com a visada lateral à direita ou esquerda, enquanto que o ALOS/PALSAR-1, o imageamento era realizado somente com a visada lateral à direita. O ALOS/PALSAR-2 opera na banda L (15 cm - 30 cm), capaz de fornecer medidas de interação do sinal com o interior do dossel e até da superfície do terreno, sendo sensível às variações da estrutura vertical do alvo, o que permite discriminar diferentes classes de uso e cobertura da terra em áreas tropicais. Este artigo tem como objetivo avaliar os dados full polarimétricos do ALOS/PALSAR-2 para analisar a sua capacidade discriminatória quanto as principais classes de uso e cobertura da terra em uma porção da FNT e áreas adjacentes. Esses dados full polarimétricos foram adquiridas no ano de 2015, e permitiu gerar as matrizes de Covariância [C3] e Coerência [T3], e realizar também o cálculo da média espacial (multilook). As matrizes foram filtradas com o filtro Refined Lee com tamanho de janela 7x7 pixels. Após a filtragem, foram realizadas as decomposições polarimétricas de Cloude-Pottier e Freeman-Durden. Os atributos extraídos a partir dos teoremas de decomposição de alvos supracitados foram: entropia, anisotropia e ângulo alfa, e, espalhamentos do tipo superficial, double-bounce e volumétrico, respectivamente. Posteriormente as imagens decorrentes dessas decomposições foram classificadas pelo classificador Wishart sendo os atributos polarimétricos associados com as seguintes tipologias de uso e cobertura da terra: floresta primária; sucessões secundárias avançada, intermediária e inicial; solo em pousio ou preparado; pasto limpo; pasto sujo; agricultura e corpos d’água. Para subsidiar o treinamento do classificador e a validação do desempenho discriminador através do teste estatístico Z. Utilizou-se um conjunto de 165 amostras de referência e de teste, devidamente georreferenciados em trabalho de campo. De maneira sintetizada os resultados das classificações derivadas dos atributos polarimétricos constantes do teorema das decomposições de alvos apresentaram bom desempenho. A decomposição de Cloude-Pottier (com os atributos de ângulo alfa, entropia e anisotropia), apresentou um índice Kappa de 0,70, mostrando-se muito bom em face de complexidade de temas que envolvem a conversão e uso da terra realizado pelo homem e aquelas classes de cobertura no interior da Unidade de Conservação. Os resultados sugerem um bom desempenho do ALOS/PALSAR-2 e confirmam a potencialidade dos algoritmos de decomposição de alvos aplicados ao uso e cobertura da terra em regiões tropicas. Estes dados também podem ser utilizados de maneira complementar ou integrados a outros dados SAR de diferentes frequências, ou mesmo com dados ópticos, na busca de uma operacionalização no processo de monitoramento e inventário dos recursos dessa vasta região tropical.

Keywords

ALOS/PALSAR-2; USO E COBERTURA DA TERRA; FLORESTA NACIONAL TAPAJÓS

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