Detecção de queimadas nas imagens dos satélites geoestacionários GOES-12

Versão 3.3, 10/Outubro/2003
Alberto Setzer e Marcos C. Yoshida

    A detecção de queimadas para a América do Sul é feita nas imagens GOES-12 recebidas a cada três horas pela DSA/CPTEC, e a cada meia hora se o satélite efetua estas transmissões. O satélite é geoestacionário, estando a 29.400 km acima da superfície, na longitude de 75 graus oeste sobre a linha do equador, e foi lançado pelos EUA em 2002. O algoritmo é baseado em limites nos canais 1 (0,63um; visível), 2 (3,9um; infra-vermelho médio) e 4 (11,0 um; infravermelho), dando-se maior importância ao canal 2 por ser o mais adequado para temperaturas como a de vegetação queimando, com ~700 K(~427ºC); os outros dois canais são usados para eliminar detecções errôneas durante o dia, causadas por reflexão solar em algumas superfícies, uma vez que o canal 2 responde tanto a emissão termal como à reflexão solar em superfícies terrestres.
    Os limiares dos três canais foram obtidos empiricamente pela análise de milhões de píxeis em imagens GOES no período de queimadas. "Píxel" é o menor elemento da imagem (grão). Temperatura no caso, é a "temperatura de brilho", Tb, indicada pelo imageador do satélite com valores sempre menores que da temperatura real da superfície (ver Nota 2 abaixo). O sensor GOES satura no canal 2 com Tb~340 K (67ºC), mas nos cálculos usa-se 343 K (70ºC) como margem de segurança. Neste caso, albedo é a porcentagem de luz solar refletida pela superfície apenas no canal 1 do GOES. Veja também a Nota 3 no final.

    Considera-se queimada qualquer píxel com albedo (refletividade) menor que 3%, com temperatura de brilho no canal 2 maior que 303 K (30ºC) e no canal 4 maior que 263 K (-10ºC), e com a diferença destas temperaturas maior que 10ºC; estes são os casos quando quase não há  iluminação solar, ou seja, de detecção mais simples..
    Para albedos entre 3% e 12%, portanto na faixa comum de iluminação solar, a temperatura no canal 2 tem de ser maior que 318 K (45ºC) e a no canal 4 maior que 263 K (-10ºC); o limite superior do canal 4 é 308 K (35ºC) para eliminar a combinação de solos aquecidos e refletivos, que causam falsas detecções, e a diferença entre o canal 2 e 4 deve ser maior que 22 K (22ºC) para reforçar ainda mais a seletividade.
    Para albedos entre 12% e 24%, de superfícies muito reflexivas, o canal 2 deve indicar mais do que 323 K (50ºC), o canal 4 mais do que 291 K (18ºC), e a diferença entre os dois ser maior que 25 K (25ºC).
    Despreza-se os casos de albedos acima de 24%, supostamente causados por reflexos intensos e diretos em corpos de água, por solos muito refletivos, e por ruídos nas imagens.

    Adicionalmente, eliminam-se integralmente do processamento as linhas da imagem com ruído causado pelo GOES, e indicado por:
a) dez ou mais queimadas detectadas no oceano;
b) cem ou mais píxeis contíguos com queimadas;
c) por 97% de píxeis com valor zero no canal visível.

    E ainda, despreza-se o píxel identificado como queimada supondo-se efeito de reflexão solar em corpos d'água, solos refletivos ou nuvens se:
a) na matriz de 21 por 21 píxeis nele centrada, qualquer píxel, excetuando-se o central, tem albedo maior que 50% e temperatura no canal 4 > 15ºC;
b) na matriz de 3 por 3 píxeis nele centrada, seis píxeis, excetuando-se o central, têm albedo > 24%.

Tabela 1 - Limiares do algoritmo de detecção de queimadas em imagens GOES-12 na  DSA/CPTEC, a partir de 27/Set/2003.
Albedo, can. 0,6 um
Tb2, canal 3,9 um
Tb4, canal 11,0 um
(Tb2-Tb4)
0% a 3%
> 303.15 K (30ºC)
> 263.15 K (-10ºC)
> 16 K (16ºC)
3% a 12%
> 318.15 K (45ºC)
> 263.15 K (-10ºC); < 308.15 K (35ºC)
> 22 K (22ºC)
12% a 24%
> 323.15 K (50ºC)
> 263.15 K (-10ºC); < 303.15 K (30ºC)
>  25 K (25ºC)

Notas.
    1) O algoritmo e os limiares utilizados são conservativos, e assim devem eliminar detecções errôneas, em particular nas áreas de Cerrado e Caatinga; os focos indicados representam apenas uma fração dos que realmente estão ocorrendo.
    2) O imageador do satélite mede a "radiância" termal, em Watts/(metro quadrado por stereoradiano por centímetro). Através da função de Plank na faixa de comprimento de onda de atuação do sensor, a radiância é convertida para "temperatura de brilho", também denominada "temperatura de radiância" ou "temperatura de corpo negro"; esta é a temperatura usada no processamento e indicada na tabela acima. Para se obter a temperatura da superfície observada na Terra, a temperatura de brilho deve ser compensada pela emissividade e reflectância da superfície imageada, e pelos efeitos (atenuação, reflexão, etc.) que a atmosfera causa na radiação ótica medida pelo satélite; esta temperatura real da superfície não é utilizada no processamento. A função de Plank relaciona emissão de radiação eletromagnética de um "corpo negro" em função de sua temperatura e do comprimento de onda.
    3) Dos três sensores usados na detecção de queimadas peloCPTEC/INPE, o do satélite GOES é o menos apropriado pelo fato de estar muito mais longe (a 29.400 km) da superfície que o sensor AVHRR dos satélites NOAA (a 810 km) e que o sensor MODIS dos satélites TERRA e AQUA (a 700 km). Para uma mesma queimada, o GOES recebe o sinal cerca de 600 vezes mais fraco, mesmo considerando o diâmetro maior de seu telescópio (31 cm ao invés de 20,3 cm no AVHRR). Adicionalmente, o píxel GOES tem 4 km de resolução no nadir enquanto que o do AVHRR e do MODIS tem 1,1 km resultanto em um fator de área de cerca de 16 vezes.
    4) Substitui a Versão 2.0 de 29/agosto/2002, referente ao GOES-8, a 3.1 de 09/Jul/2003 e a 3.2 de 19/Set/2003 para o GOES-12.

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