Por Danilo Heitor Caires Tinoco Bisneto Melo, Daniela Yumi de Almeida, Leonardo Araújo Menezes
Os avanços na tecnológica de informação e comunicação possibilitam que órgãos como o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE1) e o United States Geological Survey (USGS2) disponibilizem distintas imagens de sensoriamento remoto por meio da internet, sendo a maioria delas no formato Tagged Image File Format e numa única camada, para facilitar o compartilhamento e a manipulação dos dados. Portanto, as imagens multiespectrais e hiperespectrais de cada uma das bandas, ou cenas, correspondem a um arquivo.
Porém, em softwares de Sistema de Informação Geográfica (SIG), como por exemplo o ArcGIS, estes arquivos são visualizados apenas no modo monocromático, ou seja, em tons de cinza. O sistema visual humano não consegue discernir grande quantidade de tons de cinza, consequentemente, apresenta limitações na identificação e compreensão das informações contidas na imagem. Por outro lado, o sistema visual humano distingue uma gama infinitamente maior de cores (CROSTA, 1993; GONZALEZ; WOODS, 2000).
Desta forma, estes arquivos podem ser visualizados somente por meio de pseudo-cores, ou seja, adicionando uma coloração a um determinado tom de cinza. Outra forma de manipular a imagem no espaço de cores é transformar estes arquivos de única camada num único arquivo em multicamadas.
Assim, o presente trabalho tem como objetivo explanar o processo de conversão de diversos arquivos matriciais num único arquivo denominado de multicamadas, por meio da ferramenta Composite bands, disponível no ArcToolbox, do software ArcGIS para Desktop, versão 10.3 (ESRI, 2015). Para isto, o seu processo de execução foi demonstrado de maneira sucinta e descritiva, demonstrando passo a passo de cada uma de suas etapas, desde a inserção dos arquivos até a configuração do produto final e sua manipulação no ArcMap.
Seleção da imagem
Para esta demonstração, foi adquirida uma imagem multiespectral do LandSat 8 que corresponde a órbita 218, ponto 069, com data de aquisição de 12 de junho de 2015, disponibilizada no sítio eletrônico do USGS. Esta imagem possui 11 bandas, sendo:
8 bandas multiespectrais com resolução espacial de 30 m.;
2 bandas termais com resolução espacial de 100 m.;
1 banda pancromática com resolução espacial de 15 m.
Existe a banda de avaliação de controle de qualidade (BQA, acrônimo do inglês Quality Assessment Band), onde cada pixel contém um valor decimal que representa as combinações de dados que podem afetar a utilidade geral cena, como morfologia do terreno, a atmosfera e as condições dos sensores (USGS, 2015).
O produto disponibilizado pela USGS tem o seguinte nome e extensão: LC82180692015163LGN00.tar.gz
O nome do arquivo segue uma nomenclatura padrão que descreve os componentes associados ao arquivo do LandSat 83 e a extensão tar4.gz5, trata-se de um formato de compactação e compressão de vários arquivos num único arquivo.
Os arquivos compactados correspondem as bandas, onde cada banda corresponde a um arquivo, um arquivo de metadados e um arquivo sobre a qualidade das bandas.
As bandas estão no formato Tagged Image File Format (TIFF6, extensão .tif), o nome de cada banda segue a nomenclatura descrita anteriormente, acrescentado no final o número da banda. Como por exemplo o arquivo da banda 5 recebe o nome de LC82180692015163LGN00_B5.tif.
A visualização de uma destas bandas no ArcMap, ou no ArcCatalog (), é apenas em tons de cinza. No ArcMap pode-se observar a variação de tons de cinza da imagem, na simbologia do Plano de Informação, na Tabela de Conteúdo (Table Of Contents), como ilustrado na Figura 1.
Diante das recomendações supracitadas, para a explanação da ferramenta foram selecionadas apenas as bandas multiespectrais, como ilustrado no Quadro 1.
De modo geral, a ferramenta Composite Bands realiza o processo de conversão de arquivos matriciais em única camada, ou em multicamadas, em um novo arquivo em multicamadas.
Porém, para o bom desempenho desta ferramenta devem-se tomar algumas precauções, como:
As imagens possuírem a mesma dimensão;
Representarem o mesmo espaço geográfico;
Possuírem a mesma resolução espacial.
Caso o usuário necessite unir imagens com dimensões, espaço geográfico e resolução distintas, deve-se realizar por meio de outro processamento digital de imagem.
A ferramenta Composite Band está disponível no ArcToolbox, podendo ser ativo no ArcMap como no ArcCatalog, localizada na caixa de ferramentas de Gerenciamento de Dados (Data Management Tools – ), dentro do compartimento Matricial (Raster – ), no subcompartimento Processamento Matricial (Raster Processing – ). A Figura 2 demonstra como localizar a ferramenta.
Para ativar a ferramenta, basta clicar duas vezes em cima do nome, logo aparece a “janela de operação” Composite Bands (Figura 3).
Observe na Figura 3 a existência de dois procedimentos, sendo eles:
Input Raster: local de inserção dos arquivos matriciais a serem processados;
Output Raster: informa a pasta, o nome e a extensão do arquivo matricial multicamadas de saída.
Note na frente dos procedimentos a presença de um (), significando locais obrigatórios de interação com o usuário. Caso ocorra alguma irregularidade em alguns dos procedimentos, aparece um círculo em vermelho com um X no meio (). Caso esteja correto, o ponto verde desaparece, podendo dar continuidade no processo.
Caso tenha alguma dúvida sobre algum procedimento, há a possibilidade de exibir um quadro rápido de ajuda, basta clicar em “Show Help” (), como ilustrado na Figura 4. As informações deste quadro mudam conforme o procedimento a ser selecionado. Para ocultar este quadro, clique em “Hide Help” ().
Caso necessite de maiores informações tem-se a opção do ícone “Tool Help”, que habilita a janela de Ajuda do ARCGIS, como demonstrado na Figura 5.
Entrada dos arquivos matriciais
Reporta a inserção dos arquivos matriciais. Para isto, basta clicar no ícone abrir (), aparecendo em seguida a janela de seleção Input Rasters, para selecionar os arquivos a serem processados, como ilustrado na Figura 6.
Caso haja inúmeros arquivos na pasta, tem-se a opção de mostrar apenas os formatos desejados, clicando em Show of type, como mostrado na Figura 06. O Quadro 2 apresenta uma breve descrição dos formatos.
Para este trabalho foi selecionado apenas as bandas com resolução de 30 metros, que aparecem na caixa de interação com o usuário, como elucidado na Figura 7.
O posicionamento adequado dos arquivos na caixa de interação é fundamental para a compreensão do arquivo de saída, pois, do primeiro arquivo são extraídas as informações de resolução espacial e do Sistema de Referência Terrestre; as camadas do arquivo de saída recebem o nome de “Layer_1”, “Layer_2”, “Layer_3” e assim por diante, sendo que a primeira camada corresponde ao primeiro arquivo, a segunda ao segundo arquivo, dentre outros. Caso os arquivos não estejam na ordem crescente, não tem como saber qual banda corresponde ao Layer_1 ou Layer_2, impossibilitando utilizar combinações padrões para um determinado estudo, como descrito a diante.
Para acrescentar, excluir, mudar a posição dos arquivos basta selecionar um dos ícones ao lado da caixa de interação. A descrição de cada ícone pode ser conferida no Quadro 3.
Existe a possibilidade de executar estes ajustes independente das informações dos arquivos a serem processados. Para isto, basta clicar no ícone “Environment…”, que habilita a caixa de interação padrão de Configurações de Ambiente (do inglês: Environment Settings), como elucidado na Figura 8.
A configuração de ambiente são parâmetros que afetam o resultado do processamento. Este quadro mostra todos os parâmetros que podem ser alterados. Para este caso, os únicos parâmetros a serem alterados são: Workspace e Output Coordinates.
Para ajustar estes parâmetros basta clicar na seta localizada na frente do nome, como apresentado na Figura 9.
O workspace corresponde ao estabelecimento do local de armazenamento, entrada e saída dos arquivos, sendo selecionado o local físico onde o arquivo será armazenado (Current workspace) e espaço de trabalho para o processamento (Stratch workspace).
O Output Coordinates define os Sistemas de Coordenadas Terrestres (SCT), podendo:
O mesmo do arquivo de entrada, sendo selecionado o SCT do primeiro arquivo; ou
Definir um SCT, selecionando ícone propriedades de referência espacial ().
Caso seja definido o SCT, o espaço Geographic Transformations mostra o tipo de transformação geográfica ocorrerá entre os sistemas.
Imagem de Saída
Nesta caixa de diálogo, o usuário deverá informar a pasta, o nome e a extensão do arquivo de saída. Para isto, basta clicar no ícone abrir (), em seguida aparece a janela de diálogo Output Rasters, para selecionar os arquivos, como ilustrado na Figura 10.
Como são gerados inúmeros arquivos, recomenda organizá-los em pastas. Neste caso, foi criada a pasta “Composite Bands” para inserção da nova imagem. Com relação ao nome, como sugestão, foi mantido o nome original da imagem, alterando a informação da banda para cb (acrônimo de Composite Bands).
Em “Save as type”, reporta ao tipo de arquivo a ser salvo, neste caso pode ser salvo apenas Raster datasets. O ARCGIS reconhece e possibilita salvar diversos tipos de extensão, como BIL, BIP, BMP, BSQ, DAT, GIF, GRID, ERDAS IMAGINE, JPEG, JPEG 2000, PNG e TIFF. O arquivo original possui a extensão TIF, que pode ser visualizado e manipulado em inúmeros softwares de edição gráfica, sem alterar a qualidade da imagem (VASCONCELOS, 2002; FITZ, 2008; SERNA; CONCEPCIÓN; DURÁN, 2009). Todavia, ao adicionar um arquivo georreferenciado num software de edição gráfica (como CorelDraw®, Adobe Photoshop® e GIMP), provavelmente as informações intrínsecas sobre a referência espacial não serão preservadas.
Em virtude disto, recomenda-se salvar na extensão ERDAS IMAGINE (*.img), por se tratar de uma extensão específica para o manuseio de arquivos matriciais em diversos softwares de PDI e SIG. Até o momento da publicação deste material, os softwares de edição gráfica não visualizam esta extensão.
A extensão ERDAS IMAGINE foi desenvolvida pela ERDAS Incorporation, a princípio, para processar as imagens no software de edição gráfica de imagens e aplicações de sensoriamento remoto ERDAS IMAGINE®. Porém, devido a sua versatilidade, esta extensão tornou-se universal para os usuários de software de PDI e SIG. O nome completo desta extensão é ERDAS IMAGINE Image File e armazena as referências espaciais, bem como outras informações pertinentes a metadados (ERDAS, 2013).
Por ventura não seja estabelecida a extensão do arquivo, será adotado o formato ESRI GRID, com estrutura no formato de diretórios. Todavia este formato utilizado especificamente pela ESRI, o que dificulta trabalhar com outros softwares. O mesmo ocorre com as extensões BIL, BIP e o BSQ, todos desenvolvidos pela ESRI (ESRI, 2012).
Após selecionado a pasta, definido o nome e a extensão do arquivo, basta clicar no ícone Save (). Na janela de operação, basta clicar em OK () que o arquivo será criado.
O tamanho do arquivo de saída corresponde a soma dos arquivos de entrada.
Visualização da Imagem de Saída
A imagem pode ser visualizada tanto no ArcMap como no ArcCatalog. Todavia a manipulação no espaço de cores é realizada apenas no ArcMap. No ArcCatalog pode ser visualizada a quantidade de camadas disponível no arquivo, como elucidada na Figura 11.
A manipulação no espaço de cores pode ser executada no ArcMap. Ao adicionar o arquivo pela primeira vez, a combinação das bandas será a seguinte, vide a Figura 12:
1. Camada Red: Layer_1;
2. Camada Green: Layer_2;
3. Camada Blue: Layer_3.
Como a visualização é realizada apenas de três em três camadas, as demais ficam ocultas, como ilustrado na Figura 13.
Para alterar a combinação das camadas, basta clicar com o botão esquerdo do mouse (), em cima do símbolo do Red: Layer_1, que aparece uma caixa de seleção e escolha de outra camada, como ilustrado na Figura 14. Observe que nesta caixa de seleção existe a opção de deixar a camada visível ou não, e uma coluna indicando o Layer que está sendo visualizado (). Cada camada do triplete pode ser desabilitada, ou habilitada a qualquer momento, basta clicar com o botão direito do mouse () em cima do nome Visible.
O procedimento se repete para alterar as outras camadas. Selecionando a banda 4 no filtro Vermelho, a banda 3 no filtro verde e a banda 2 no filtro Azul. Obtém-se a mesma visualização do olho humano, também chamada de cor natural, ou cor real, como ilustrado na Figura 15.
Outra maneira de alterar a combinação colorida é acessando as propriedades Layer, ou Plano de Informação e selecionar a opção Symbology, como ilustrado na Figura 16. Existem dois caminhos para acessar as propriedades do Layer:
•Posicionar o cursor do mouse em cima do nome e clicar com o botão direito (), que aparece um caixa de opções e selecionar propriedades; ou
•Posicionar o cursor do mouse em cima do nome e clicar duas vezes com o botão esquerdo do mouse () que acessa diretamente as propriedades do Layer.
- Figura 16. Propriedades do Layer.
Note que em Symbology além do triplete RGB existe o filtro Alpha.
Para alterar as camadas basta clicar com o botão direito do mouse () no nome ou na seta direcionada para baixo (), como ilustrado na Figura 17.
O filtro alpha define a opacidade de um pixel numa imagem, onde o valor 0 significa transparência total, anulando os valores do pixel da composição RGB; e o valor 65535 significa transparência nula, mantendo o valor da composição RGB (MUÑOZ, 2013).
Resultado
Com a nova imagem consegue-se identificar novos alvos e explorar a combinação colorida entre as bandas espectrais. Para saber a quantidade de combinações coloridas possíveis entre as bandas, utiliza-se a seguinte fórmula de análise combinatória (Vargas; Melo, 2011):
Cm,n= m!/(m-n)!n!
Onde:
m: número total de bandas;
n: número de bandas na composição colorida;
m!: Fatorial de bandas;
n!: Fatorial do número de bandas da composição colorida; e
Cm,n: Combinações (número) de composições coloridas possíveis.
Em resumo, com este arquivo, composto de 8 camadas, obtém-se 56 combinações coloridas distintas. Devido às propriedades espectrais das bandas, algumas combinações coloridas possibilitam realçar melhor uma determinada informação do que outra, como por exemplo áreas urbanizadas são melhores discriminadas quando combinadas as bandas 7 no vermelho, a banda 6 no verde e a banda 4 no azul. A Tabela 1 apresenta outras combinações.
Conclusão
A ferramenta Composite Bands apresenta-se como uma ferramenta fácil de ser utilizada, desde que siga as recomendações supracitadas, tendo o trabalho apenas de cingir alguns ícones e ordenar na ordem as bandas a serem processadas.
Destaque também as inúmeras combinações coloridas das bandas espectrais, possibilitando identificar informações que no modo monocromático, ou em pseudo-cores, não conseguiam ser visualizadas. Aumentando assim, o uso destas imagens.
Referências
ADOBE. TIFFTM: revision 6.0, Final – June 3, 1992. Mountain View: Adobe Systems, 1992. Disponível em: Acesso em: 05 ago. 2015.
BUTLER, K. ARCGIS Resources: Band Combinations for Landsat 8. Redlands: ESRI, 2013. Disponível em: . Acessado em: 10 ago. 2015.
CROSTA, A. P. Processamento digital de imagens de sensoriamento remoto. Campinas: IG/UNICAMP, 1993.
ENVIRONMENTAL SYSTEMS RESEARCH INSTITUTE (ESRI). ArcGIS for Desktop. Versão. 10.3. Redlands: ESRI, 2013.
GONZALEZ, R. C.; WOODS, R. E. Processamento de imagens digitais. São Paulo: Edgard Blücher, 2000. Tradução de Roberto Marcondes Cesar Junior; Luciano da Fontoura Costa.
MELO, D. H. C. T. B. et al. Aquisição e leitura da carta topográfica digital do IBGE. Geografia (Londrina). Londrina: UEL, v. 23, n. 1, p. 191-204, jan. 2014.
MUÑOZ, A. V. Principios de color y holopintura. Alicante: Editorial Club Universitario, 2013.
UNITED STATES GEOLOGICAL SURVEY – USGS. Landsat Mission: Landsat 8. Reston: USGS, 2015. Disponível em: . Acessado em: 03 set. 2015.
VARGAS, K. B.; MELO, D. H. C. T. B. Processamento digital de imagens multiespectrais do satélite LandSat 5 como ferramenta para a identificação de unidades morfológicas na bacia do ribeirão Água das Antas – PR. In: ENCONTRO ESTADUAL DE GEOGRAFIA E ENSINO, II., E SEMANA DE GEOGRAFIA, XX., 2011. Maringá. Anais… Maringá: EDUEM, 2011. Disponível em: < http://www.dge.uem.br/gavich/downloads/semana11/Eixo3/Eixo3-08.pdf>. Acessado em: 11 ago. 2015.
