Analysis of the potential use from TerraSAR-X images for thematic mapping in SW Brazilian Amazon region

Análise do potencial de imagem TerraSAR-X para mapeamento temático no sudoeste da Amazônia brasileira César Edwin GARCIA1, João Roberto dos SANTOS1, José Claudio MURA1, Hermann Johann Henrich KUX1 Resumo O presente trabalho tem como objetivo analisar o potencial de imagens SAR polarimétricas do sensor TerraSAR-X, no modo StripMap, para mapear o uso e cobertura da terra na região sudoeste da Amazônia brasileira. No procedimento metodológico imagens de amplitude nas polarizações AHH e AVV, A<HH.VV*> derivada da matriz de covariância, bem como da entropia AEntropia derivada da decomposição de alvos por auto-valores fizeram parte, de forma individual ou combinada, do conjunto de dados investigados. Na classificação das imagens foram empregados dois classificadores: um baseado nas funções estatísticas de máxima verossimilhança (MAXVER); e outro, o método contextual (Context). Os resultados temáticos dessas classificações foram avaliados através da matriz de confusão e pelo índice Kappa. De forma sintetizada pode-se afirmar que as componentes A<HH.VV*> e AEntropia, têm significativa contribuição no procedimento classificatório, sobretudo pelo método Context, cujo desempenho alcançou com 78% de exatidão global e índice Kappa de 0,70. Palavras-chave: mapeamento florestal, radar, classificação polarimétrica, Amazônia. Analysis of the potential use from TerraSAR-X images for thematic mapping in SW Brazilian Amazon region Abstract The objective of this work was to analyze the potential use of SAR polarimetric images from the TerraSAR-X sensor system, at StripMap mode, to map land use and land cover in SW Brazilian Amazon. Amplitude images at polarizations AHH, AVV, A<HH.VV*>, derived from the co-variance matrix, as well as the entropy AEntropia, derived from the decomposition of targets by eigenvalues, are parts of the datasets investigated individually or in combined form. Two classifiers were used: the first is based on statistical functions of maximum likelihood (MAXVER), and the second is the contextual method (Context). The thematic results from these classifications were evaluated by a confusion matrix and by the Kappa index. Summarizing we can state that the components A<HH.VV*> and AEntropia, gave a significant contribution to the image classification procedure, considering specially the Context method, whose performance reached 78% of Global Accuracy and a Kappa index of 0.70. Keywords: Forest mapping, Radar, Polarimetric classification, Amazon. 1 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE Av. dos Astronautas, 1758, 12.227-010 - São José dos Campos, SP, Brasil. Email: {cgarcia, jroberto, hermann}@dsr.inpe.br; 205 vol. 42(2) 2012: 205 - 214 Análise do potencial de imagem TerraSAR-X para mapeamento temático no sudoeste da Amazônia brasileira Introdução O conhecimento da dinâmica de uso e cobertura da terra exerce papel importantíssimo para entender os fenômenos resultantes da atividade humana que ocorrem em áreas tropicais, especificamente na região da Amazônia brasileira. A conversão da floresta em outras classes de uso da terra tem ocasionado excessiva fragmentação de habitats, perda de biodiversidade, degradação de solos férteis e redução da capacidade hídrica em certas zonas amazônicas. Face esses desequilíbrios resultantes da ação humana nos ecossistemas amazônicos, torna-se necessário um constante monitoramento da paisagem, conforme reportado por Houghton et al. (2000) e Vieira et al. (2004). Produtos de sensores remotos, em nível orbital, têm sido ferramentas adequadas para auxiliar no entendimento e monitoramento dessas áreas. Não obstante, sensores que operam na faixa óptica mostram limitações na aquisição regular de dados, devido à constante e elevada cobertura por nuvens no decorrer do imageamento, sobretudo em certos setores amazônicos, conforme citado por Asner (2001). Por conseguinte, imagens dos radares de abertura sintética (SAR) são, de maneira relativa quanto a operacionalidade do programa de imageamento, alternativas viáveis, devido a independência da aquisição em relação às condições atmosféricas das regiões tropicais (Henderson e Lewis 1998). Há disponibilização de imagens SAR oriundas de diferentes freqüências e polarizações, podendo-se citar: imagens do Advanced Land Observing Satellite (ALOS/ PALSAR, banda L); do Radarsat-2 (banda C); do TerraSAR (banda X); e da constelação COSMO-SkyMed (banda X). O crescente interesse da comunidade técnico-científica em aprimorar ferramentas de tratamento desses dados SAR tem demonstrado suas aplicabilidades em: mapeamento do uso e cobertura da terra (Santos et al. 2008; Freitas et al. 2008); diferenciação entre estádios de sucessão florestal (Rignot et al 1997; Neeff et al. 2005a); discriminação entre áreas de floresta primária, áreas desmatadas e de corte seletivo (Van der Sanden e Hoekman 1999; Saatchi et al. 1997); caracterização de respostas polarimétricas de florestas primárias e secundárias (Santos et al. 2009); estimativa de parâmetros biofísicos da tipologia florestal e sua biomassa (Kasischke et al. 1997; Hoekman e Quiñones 2000; Santos et al. 2002; Narvaes 2010). Os sensores-radar apresentam algumas restrições quanto à utilidade para determinadas aplicações, de acordo com as características intrínsecas de operação, em razão da freqüência e da polarização utilizada. No caso de estudos florestais, é importante conhecer qual é a frequencia em que opera o radar e, por conseguinte, a capacidade de interação do sinal emitido com a estrutura da floresta (troncos, galhos e folhas). O comprimento de onda, por exemplo, é o parâmetro de maior 206 influência na capacidade de penetração do sinal de microondas no dossel florestal. Na banda X (2,4 cm - 3,75 cm), o pequeno comprimento de onda, praticamente não penetra no dossel e, portanto, o retroespalhamento ocorre na superfície, com as folhas e pequenos galhos formadores do dossel. Na banda C (3,75 cm - 7,5 cm) a penetração é um pouco maior e a interação se dá com folhas e galhos maiores formadores da copa das árvores do estrato superior. Nos comprimentos de onda maiores, caso das bandas L (15 cm – 30 cm) e P (77 cm – 136 cm), dependendo da densidade, estrutura da vegetação e umidade, o sinal de microondas emitido penetra o dossel, interage com toda e variada estrutura florestal e pode chegar até o solo (Leckie e Ranson 1998). Dentro desse contexto, visando explorar a potencialidade de novos sensores SAR, o objetivo da presente pesquisa foi avaliar a aplicabilidade de imagens polarimétricas dual (HH e VV) do TerraSAR-X, no modo StripMAP para a identificação de classes de cobertura e uso da terra na porção SW da Amazônia brasileira. Para tal, técnicas de tratamento POLSAR, como a decomposição de alvos e de classificações, contextual e estatístico por máxima verossimilhança, foram empregadas para o mapeamento temático da região estudada. Síntese teórica dos conceitos SAR e suas aplicações em estudos da tipologia florestal A base teórica sobre as int (...truncated)