AN

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ANÁLISE MULTI-TEMPORAL DE CENAS DO SATÉLITE
QUICKBIRD USANDO UM NOVO PARADIGMA PARA A
CLASSIFICAÇÃO DE IMAGENS E INFERÊNCIAS
ESPACIAISEstudo de caso Bairros Belvedere e
Buritis,Belo Horizonte, MG
Dr. Hermann Johann Heinrich Kux Eduardo Henrique
Geraldi Araujo, MSc. Divisão de Sensoriamento
Remoto, INPE
São José dos Campos, Junho 2007
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Motivação
A constatação de mau uso das áreas urbanas

• Desenvolvime nto inadequado em áreas com grande
  potencial urbano

• Imposição de um modelo econômico e especulativo.

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Introdução
Sensoriamento Remoto

• Administrar ambientes urbanos envolve
  procedimentos de monitoramento e modelagem que
  requerem uma base de informações confiáveis
• O uso das técnicas de sensoriamento remoto
  auxilia na obtenção de informações sobre o uso do
  solo e na elaboração de um diagnóstico que
  subsidia o planejamento e a solução de problemas
• Disponibilidade de sensores com alta resolução
  espacial
• Métodos de classificação usando um novo
  paradigma orientado a objetos
• Inferências espaciais com a interação de dados
  de diversas origens e formatos, usando SIG.

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Introdução
Detalhamento dos objetos
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Objetivo
Avaliar o uso de técnicas de processamento
digital de imagens de alta resolução espacial e
de métodos de inferência espacial de áreas
urbanas, destacando suas características,
especificidades e limitações, de modo a auxiliar
no diagnóstico e na produção de informações sobre
a cidade, contribuindo para o planejamento urbano.
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Objetivos específicos

• Em duas áreas-testes, bairros Belvedere e
  Buritis,
• Testou-se a eficiência de métodos de correção
  geométrica de imagens do satélite Quickbird
• Avaliou-se a precisão dos resultados da
  ortorretificação de imagens Quickbird tipo
  ORStandard aplicando o modelo rigoroso com o uso
  de pontos de controle terrestres adquiridos por
  GPS (Global Positioning System) em modo
  diferencial
• Avaliou-se o desempenho da classificação
  orientada à objetos no mapeamento da cobertura do
  solo urbano
• Avaliou-se a integração de informações extraídas
  de imagens Quickbird e de outras fontes em um SIG
  na geração de novas informações que subsidiem o
  planejamento urbano .

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Área de estudo - Belvedere
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Área de estudo - Belvedere
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Área de estudo - Buritis
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Área de estudo - Buritis
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Área de estudo - Geologia
Plano de xistosidade das camadas coincidentes com
a inclinação da encosta
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Área de estudo - Geologia
Corte NW-SE
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Procedimentos metodológicos
Definição da área de estudo
Definição da área de estudo
Imagem 2004
Belvedere
Buritis
Aquisição das imagens Quickbird
Exigências Relevância Pertinência.
Imagem 2002
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Especificações do satélite Quickbird

• Lançamento 18.10.2001
• Vida útil gt 5 anos
• Órbita 97,2º sol-síncrona
• Duração da órbita 93,5 minutos
• Largura da faixa imageada 16,5 Km (nadir), 20,8
  Km (off-nadir)
• Tempo de revisita 1 3,5 dias conforme a
  latitude
• Resolução espacial Pancromático 61 cm nadir,
  72 cm a 25º
• Multiespectral -
  2,44 m nadir, 2,88 m a 25º
• Resolução radiométrica 11 bits, 2048 níveis
  de cinza
• Bandas Pancromática 0,45 0,90 µm
• Azul 0,45 -
  0,52 µm
• Verde 0,52 -
  0,60 µm
• Vermelho 0,63 - 0,69
  µm
• IV próximo 0,76 - 0,90
  µm

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Procedimentos metodológicos
Correção geométrica
Definição da área de estudo
Correção geométrica
Curvas de nível
Ortoimagens
MDE
Avaliação da precisão
Trabalho de campo
Pontos D-GPS
Informações adquiridas
Informações geradas
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Procedimentos metodológicos
Correção geométrica - MDE
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Procedimentos metodológicos
Correção geométrica pontos D-GPS (campo)
Feições em ambas imagens
Coleta de coordenadas por GPS em modo Diferencial
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Procedimentos metodológicos
Classificação
Definição da área de estudo
Correção geométrica
Classificação orientada a objetos
Imagens classificadas
Ortoimagens editadas
Cadastro editado
Avaliação Kappa Estabilidade.
Definição das classes Segmentação
multi-resolução Rede hierárquica Regras de
pertinência Avaliação
Informações geradas
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Procedimentos metodológicos
Classificação Definição das classes
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Procedimentos metodológicos
Classificação Definição das classes
Classes Composição 3,2,1 - RGB Composição 4,3,2 - RGB Características de interesse
Asfalto Auxílio do cadastro.
Brancos Alto valor de brilho. Não discernimento dos materiais constituintes.
Coberturas Cinzas Impermeáveis. Coberturas de grandes edifícios. Muitas variações.
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Procedimentos metodológicos
Classificação Definição das classes
Flare Nível de quantização próximo a 2048.
Piscina Alta resposta no azul. Em alguns casos, no verde.
Solo Exposto Terreno modificado (terraplanagem). Sem presença de vegetação. Resposta no vermelho.
Sombra Baixo brilho. Proximidade de altos edifícios e vegetação arbórea.
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Procedimentos metodológicos
Classificação Definição das classes
Telha cerâmica Bordas lineares. Padronizado conforme legislação. Geometria variável. Resposta no vermelho.
Vegetação Arbórea Alta resposta no infravermelho próximo. Textura provocada pelas diferentes alturas das árvores (sombra).
Vegetação Rasteira Alta resposta no infravermelho próximo. Uniforme. Presença de resposta do vermelho (solo).
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Procedimentos metodológicos
Classificação Segmentação multi-resolução

• Interesse em objetos relativos à quadras e ruas
• Baseada na forma do cadastro utilizado
• Auxilia na hierarquia e regras de pertinência
• Geração de super-objetos.

Nível 3

• Nível de interesse para a classificação
• Alvos priorizados edificações
• Nível intermediário
• Interfere nas demais segmentações
• É influenciada pelo layer temático

Nível 2

• Geração de objetos menores que os de interesse
• Propicia a utilização de outras regras textura
• Auxilia na hierarquia.

Nível 1
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Procedimentos metodológicos
Classificação Regras de pertinência

• Índice Kappa
• Erro do produtor e usuário
• Índices de Hellden e Short (otimista e
  pessimista)
• Exatidão global

Matriz de confusão

• Um objeto pertence a mais de uma classe com
  maior ou menor grau(lógica Fuzzy)
• Neste caso, é importante avaliar a estabilidade
  de uma classe observando os diferentes graus de
  pertinência dos objetos classificados

Estabilidade
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Procedimentos metodológicos
Inferências espaciais
Informações adquiridas
Definição da área de estudo
Informações geradas
Correção geométrica
Correção geométrica
Classificação orientada a objetos
Inferências espaciais
Preparação dos dados
Expansão urbana
Deslizamento de encostas
Imagens classificadas
Edificações irregulares
Geologia
Áreas críticas
Geotecnia
Prejuízos à população
Risco Geológico
Legislação
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Procedimentos metodológicos
Inferências espaciais Preparação dos dados

• Adaptado e do mapa geológico de Belo Horizonte
• Simplificado
• Visita em campo.

• Mapa geológico

• Mapa de risco geológico

• Editado a partir do original em formato digital

• Mapa da legislação

• Adaptado a partir dos mapas da LEIPUOS

• Gerado a partir do MDE
• Interesse nos intervalos limitados por lei.

• Mapa de declividade

• Gerado a partir do MDE
• Interesse nas vertentes com orientações para SE

• Mapa de orientação de vertentes

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Procedimentos metodológicos
Inferências espaciais Expansão urbana
Imagem classificada 2002
Imagem classificada 2004
Matemática de bandas
Aumento de impermeabilização
Informações geradas
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Procedimentos metodológicos
Inferências espaciais Deslizamento de encostas
Geologia
Declividade
Vertentes
Inferência Espacial
Deslizamento de encostas
Informações adquiridas
Informações geradas
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Procedimentos metodológicos
Inferências espaciais Deslizamento de encostas
Classificações
Declividade
Legislação
Inferência Espacial Booleana
Deslizamento de encostas
Informações geradas
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Procedimentos metodológicos
Inferências espaciais Áreas Críticas
Escavação
Escorregamento
Erosão
Inferência Espacial Booleana
Áreas Críticas
Informações adquiridas
Informações geradas
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Procedimentos metodológicos
Inferências espaciais Prejuízos à população
Riscos geológicos associados
Áreas disponíveis para edificação
Áreas Críticas
Classificações
LEIPUOS
Declividade
Zoneamento permissivo
Agravamento do risco geológico e legislação
Inferência Espacial - AHP
Prejuízos à população
Informações adquiridas
Informações geradas
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Resultados e Discussão
Correção Geométrica - Testes
Imagem original Sem correção
Imagem corrigida RPC DEM curvas
Imagem corrigida RPC DEM curvas GCP



Deslocamento 27,72m
Deslocamento 2,79m
Deslocamento 1,22m
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Resultados e Discussão
Correção Geométrica Ortorretificação (rigoroso)
Imagem sem correção - 2002
Imagem corrigida - 2002
RMS 21,87m
RMS 1,05m
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Resultados e Discussão
Correção Geométrica Ortorretificação (rigoroso)
Imagem sem correção - 2004
Imagem corrigida - 2004
RMS 14,48m
RMS 0,86m
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Resultados e Discussão
Classificação Rede hierárquica
NÍVEL 2
Não vegetação
Vegetação
Asfalto
Sombra
Não sombra
Rasteira
Arbórea
Alto brilho
Não alto brilho
Flare
Brancos
Vermelhos
Não vermelhos
Solo exposto
Telha cerâmica
Azuis
Piscina
Coberturas (cinza)
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Resultados e Discussão
Classificação Rede hierárquica
NÍVEL 3
Fora da área
Quadras
Ruas
NÍVEL 2
NÍVEL 1
Azul (n1)
Não azul (n1)
Telha de barro
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Resultados e Discussão
Classificação Imagem do bairro Belvedere (2004)
38
Resultados e Discussão
Classificação Imagem do bairro Buritis (2004)
39
Resultados e Discussão
Classificação Análise de estabilidade
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Resultados e Discussão
Classificação Imagem do bairro Buritis (2002)
41
Resultados e Discussão
Classificação Análise de estabilidade
42
Resultados e Discussão
Inferências Expansão urbana (2002-2004)
Áreas das classes de cobertura do solo m2 Áreas das classes de cobertura do solo m2 Áreas das classes de cobertura do solo m2 Áreas das classes de cobertura do solo m2
Classes Buritis 2002 Buritis 2004 Belvedere 2002 Belvedere 2004
Asfalto 122242,68 134768,53 169990,93 166739,05
Brancos 45323,28 52157,16 52663,32 30020,40
Coberturas (cinza) 412826,79 444673,83 203189,77 274347,02
Flare 2331,36 631,80 93,60 611.64
Piscina 471,60 626,76 2994,12 4590,00
Sombra 58006,08 92256,48 42384,60 52450,56
Solo exposto 125866,09 88027,56 242991,73 182394,73
Telha barro 9463,32 4576,32 87817,32 99083,88
Vegetação Arbórea 430268,43 501247,48 199428,85 179812,81
Vegetação Rasteira 551191,36 437422,71 165793,33 181056,25
Total classificados 1757990,99 1756388,63 1170494,70 1167347,57
2004 - 2002 1602,36 1602,36 -3147,13 -3147,13
Total impermeável 589856,07 636175,84 513661,34 570190,35
2004 - 2002 46319,77 46319,77 56529,01 56529,01
Total vegetação 981459,79 938670,19 365222,18 360869,06
2004 - 2002 -42789,60 -42789,60 -4353,12 -4353,12
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Resultados e Discussão
Inferências Expansão urbana (2002-2004)
44
Resultados e Discussão
Inferências Risco ao deslizamento de encostas
Buritis
Belvedere
Alto Médio Baixo Nulo
45
Resultados e Discussão
Inferências Ocupação irregular
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Resultados e Discussão
Inferências Áreas críticas
Legenda
Área Crítica 1 Área Crítica 2 Área Crítica 3
47
Resultados e Discussão
Inferências Áreas críticas
Buritis
Belvedere
Vulnerabilidade
Baixa
Alta
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Conclusões
Correções geométricas

• Um MDT com boa qualidade é essencial para a
  análise multi-temporal em imagens de alta
  resolução
• O D-GPS forneceu coordenadas com precisão
  adequada aos objetivos do trabalho e auxiliaram
  nos bons resultados
• Análises multi-temporais requerem cuidado na
  escolha das feições dos pontos de controle e
  teste
• Imagens com elevados ângulos de visada lateral
  e/ou de regiões com grande variação e amplitude
  altimétrica devem ser corrigidas por modelos
  rigorosos
• Embora menos preciso, o modelo racional
  polinomial (RPC) se mostrou eficiente se usado
  com GPS e um MDT adequado
• Os resultados da correção pelo modelo rigoroso
  confirmam aqueles encontrados em outros estudos
• A correção geométrica foi essencial para a
  realização do trabalho.

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Conclusões
Classificação orientada a objetos

• O Layer temático do cadastro foi bastante útil na
  segmentação e essencial na definição da classe
  Asfalto
• A segmentação multi-resolução foi fundamental
  para a elaboração da rede hierárquica e das
  regras de pertinência
• A hierarquia estabelecida pôde ser usada nas
  quatro classificações
• As regras devem ser editadas ou alteradas para
  cada imagem
• A opção em favorecer hierarquicamente as classes
  com maior facilidade de mapeamento permitiu boa
  avaliação geral das classificações
• Elevados ângulos de visada lateral prejudicam a
  classificação

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Conclusões
Inferências espaciais

• A análise de expansão urbana permitiu comprovar o
  crescimento dos 2 bairros estudados entre 2002 e
  2004
• A classe Sombra é importante nas análises de
  expansão urbana
• Classes com maior confusão precisaram ser
  generalizadas para se realizar as análises
  multi-temporais
• A análise numérica permitiu maior precisão mas
  deve-se considerar os erros de cada processo
• Os procedimentos de inferência espacial
  demonstraram a eficácia de se reunir dados de
  diferentes fontes em um ambiente único
• Os resultados indicaram a necessidade de se
  manter uma boa base de dados, atualizada e
  confiável
• Neste estudo, foi possível mapear áreas com
  tendências de crescimento e risco geológico além
  de auxiliar na regulamentação urbana

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Obrigado pela sua atenção !