Use of synthetic aperture radar for recognition of Coastal Geomorphological Features, land-use assessment and shoreline changes in Bragança coast, Pará, Northern Brazil

Imagens de radar de abertura sintética (SAR) vem sendo bem mais utilizadas do que antes nas aplicações de geociências em regiões tropicais úmidas. Nesta investigação, uma imagem RADARSAT-1, na banda C, polarização HH adquirida em 1998 foi usada para o mapeamento costeiro e avaliação da cobertura da terra na área de Bragança, norte do Brasil. Imagem do radar aerotransportado GEMS-1000, na banda X, polarização HH, adquirida em 1972 durante o projeto RADAM foi também utilizada para avaliar as variações costeiras ocorridas nas últimas três décadas. A pesquisa tem confirmado a utilidade da imagem RADARSAT-1 para o mapeamento geomorfológico e avaliação da cobertura da terra, particularmente em costas de manguezal de macromaré. Além disso, um novo método para estimar as variações da linha de costa baseado na superposição de vetores extraídos de diferentes imagens SAR, com alta acurácia geométrica, tem mostrado que a planície costeira de Bragança tem estado sujeita a severa erosão responsável pelo recuo de aproximadamente 32 km² e acreção de 20 km², resultando em uma perda de área de manguezal de aproximadamente 12 km². Como perspectiva de aplicação, dados SAR orbitais e aerotransportados provaram ser uma importante fonte de informação tanto para o mapeamento geomorfológico, quando para o monitoramento de modificações costeiras em ambientes tropicais úmidos.

Morfodinâmica costeira e o uso da orla oceânica de Salinópolis (Nordeste do Pará)

Os aspectos morfodinâmicos relacionados à erosão ou acresção da linha de costa são alguns dos assuntos analisados na gestão das zonas costeiras que vêem sendo tratada em todo mundo no sentido de monitorar e proteger essas zonas. Esta tese objetiva analisar o comportamento da morfodinâmica costeira de Salinópolis, relacionando-o ao uso da orla oceânica. A área de estudo foi compartimentada em três setores: Oeste (praias da Corvina e do Maçarico), Central (praia do Farol Velho) e Leste (praia do Atalaia). A metodologia consistiu na: (a) aquisição e tratamento de imagens multitemporais (1988-2001-2013) do satélite Landsat 5 TM, 7 ETM e 8 OLI; (b) aplicação de entrevistas/questionários com banhistas, (c) aquisição de dados de campo durante as estações chuvosa (26, 27, 28/04/2013) e menos chuvosa (04, 05, 06/10/2013); e (d) análise laboratorial para o tratamento dos dados adquiridos em campo (topografia das praias estudadas, amostragem de sedimentos superficiais das mesmas e com o uso de armadilhas, e medições oceanográficas de ondas, marés, correntes e turbidez). Foram feitas as representações gráficas dos perfis topográficos das praias, calculados os parâmetros estatísticos granulométricos de Folk & Ward (1957), as taxas do transporte sedimentar nas praias e os parâmetros morfométricos de Short & Hesp (1982), estes últimos foram calculados com o intuito de relacioná-los aos estados morfodinâmicos de praias propostos por Wright & Short (1984) e Masselink & Short (1993). Para a classificação da costa oceânica de Salinópolis em termos de uso e ocupação foi utilizado o decreto nº 5.300 de 7 de dezembro de 2004. A partir das pesquisas sobre a urbanização na costa e das obras situadas nos ambientes costeiros foi utilizada uma matriz proposta por Farinaccio & Tessler (2010) que lista uma série de impactos ambientais, e o quadro de geoindicadores do comportamento da linha de costa proposto por Bush et al. (1999), para a identificação de locais com vulnerabilidade à erosão ou acresção. Para as condições oceanográficas em cada praia e periculosidade ao banho nas mesmas, foram integralizados os dados de ondas, de correntes, de morfodinâmica praial e questionários aplicados com banhistas. Atualmente, a orla oceânica de Salinópolis possui diferentes características quanto à utilização e conservação, abrangendo desde a tipologia de orlas naturais (Classe A) até orlas com urbanização consolidada (Classe C). A primeira ocorre nos extremos da área de estudo e, a segunda, na região da sede municipal. Quatro tipos de praias foram identificados segundo a exposição marítima e o grau das condições oceanográficas: tipo 1 (Maçarico), tipo 2 (Corvina), tipo 3 (Farol Velho) e tipo 4 (Atalaia). O trecho de costa com maiores impactos ambientais e com elevada erosão costeira localiza-se na praia do Farol Velho. O grau de periculosidade ao banho foi de 4 (praia do Maçarico) a 7 (praia do Atalaia) – médio a alto grau de risco. As praias de Salinópolis apresentam declives suaves (< 1,5°), grandes variações na linha de costa entre as estações do ano (9,6 a 88, 4 m) e volume sedimentar variável dependendo do grau de exposição das praias ao oceano aberto. Predominou o estado morfodinâmico dissipativo (Ω>5,5) para estas praias, mas com ocorrência do estado de banco e calha longitudinais (4,7<Ω<5,5) no setor oeste. As macromarés na área de estudo apresentaram altura máxima de 5,3 m (Setor Central, durante a estação menos chuvosa) e mínima de 4 m no mesmo setor, durante a estação chuvosa. As correntes longitudinais foram mais intensas no setor leste (>0,45 m/s) durante as duas estaçoes do ano. As alturas de ondas foram também maiores no setor leste (máximo de 1,05 m durante a maré enchente na estação menos chuvosa) e os períodos de ondas foram mais curtos (<4,5 s) no setor oeste. A média granulométrica obtida dos sedimentos coletados na face praial apresentou escala mais freqüente entre 2,6 a 2,8 phi, indicando a predominância de areia fina. O grau de seleção predominante dos sedimentos foi de 0,2 a 0,5 phi (muito bem selecionados e bem selecionados), e da assimetria foi de positiva (0,10 a 0,30) e de aproximadamente simétrica (-0,10 a 0,10). O grau de curtose variou desde muito platicúrtica (<0,67) a muito leptocúrtica (1,50 a 3,00). Foram observados eventos de acresção sedimentar da estação chuvosa a menos chuvosa. De 22/07/1988 a 28/08/2013 (25 anos) também houve predomínio de acresção, onde o avanço médio linear da linha de costa foi de 190,26 m. O recuo médio linear obtido para toda área de estudo foi de -42,25 m. Áreas com maior erosão são pontuais: divisas das praias da Corvina e Maçarico, e Farol Velho e Atalaia. Os traps portáteis indicaram uma maior quantidade de sedimentos transportados longitudinalmente na estação menos chuvosa (Mín. 280 g/m³: enchente, setor oeste; Máx. 1098 g/m³: vazante, setor leste). Nos traps de espraiamento, o balanço entre a quantidade de sedimentos entrando e saindo nas praias foi menor no setor central (Mín. 80 g/m³: vazante, estação menos chuvosa; Máx. 690 g/m³: enchente, estação menos chuvosa). A circulação costeira sedimentar é proveniente, principalmente, do efeito das marés, com direção governada pela enchente e vazante dos rios que atravessam a costa. Os dados indicam o transporte longitudinal de sedimentos da ilha de Atalaia e rio Sampaio para o setor oeste e as margens das faixas praiais.

Análise de superfície de tendência aplicada à chuva, medida por radar meteorológico, nas regiões de Assis e Piracicaba, SP

This paper presents the results from lineal trend surface analysis technique application. The purpose was to detect positive and negative anomalies in the rain measure distribution obtained by the meteorological radar Doppler, band S, located in Bauru, during the period of 21 of October/2004 to 29 of April/2005 in the areas of Assis and Piracicaba. Using three Z-R radar relations for rain quantification was chosen the specific equation Z = 32R1,65, as the best one. The results showed that the applied methodology was able to indicate the space distribution of the rain accumulated, identifying and locating the regions where there was rainy excess and rainy lack during each analyzed period. Such results indicate areas with larger pluvial impact and consequently more favorable for environmental damages.

Impacto do balanço hídrico em diferentes tipos de solos: comparação entre dados de radar-pluviômetro e análise de tendência da chuva em área agrícola

Pós-graduação em Geociências e Meio Ambiente - IGCE

Imaging of buried targets with ground penetrating radar

Diffraction tomographic imaging is applied to the imaging of shallowly buried targets with multi-bistatic arrays of transmitters and receivers.

A parametric study of imaging subsurface objects using ground penetrating radar

A parametric study was carried out to investigate the effects on reconstructed images from a ground penetrating radar (GPR) due to (a) the centre frequency of the GPR excitation pulse, (b) the height of transmitting and receiving antennas above ground level, and (c) the proximity of the buried objects. An integrated software package was developed to streamline the computer simulation based on synthetic data generated by GPRMax.

Theory of radar imaging using time-frequency distribution

The concept of radar was developed for the estimation of the distance (range) and velocity of a target from a receiver. The distance measurement is obtained by measuring the time taken for the transmitted signal to propagate to the target and return to the receiver. The target's velocity is determined by measuring the Doppler induced frequency shift of the returned signal caused by the rate of change of the time- delay from the target. As researchers further developed conventional radar systems it become apparent that additional information was contained in the backscattered signal and that this information could in fact be used to describe the shape of the target itself. It is due to the fact that a target can be considered to be a collection of individual point scatterers, each of which has its own velocity and time- delay. DelayDoppler parameter estimation of each of these point scatterers thus corresponds to a mapping of the target's range and cross range, thus producing an image of the target. Much research has been done in this area since the early radar imaging work of the 1960s. At present there are two main categories into which radar imaging falls. The first of these is related to the case where the backscattered signal is considered to be deterministic. The second is related to the case where the backscattered signal is of a stochastic nature. In both cases the information which describes the target's scattering function is extracted by the use of the ambiguity function, a function which correlates the backscattered signal in time and frequency with the transmitted signal. In practical situations, it is often necessary to have the transmitter and the receiver of the radar system sited at different locations. The problem in these situations is 'that a reference signal must then be present in order to calculate the ambiguity function. This causes an additional problem in that detailed phase information about the transmitted signal is then required at the receiver. It is this latter problem which has led to the investigation of radar imaging using time- frequency distributions. As will be shown in this thesis, the phase information about the transmitted signal can be extracted from the backscattered signal using time- frequency distributions. The principle aim of this thesis was in the development, and subsequent discussion into the theory of radar imaging, using time- frequency distributions. Consideration is first given to the case where the target is diffuse, ie. where the backscattered signal has temporal stationarity and a spatially white power spectral density. The complementary situation is also investigated, ie. where the target is no longer diffuse, but some degree of correlation exists between the time- frequency points. Computer simulations are presented to demonstrate the concepts and theories developed in the thesis. For the proposed radar system to be practically realisable, both the time- frequency distributions and the associated algorithms developed must be able to be implemented in a timely manner. For this reason an optical architecture is proposed. This architecture is specifically designed to obtain the required time and frequency resolution when using laser radar imaging. The complex light amplitude distributions produced by this architecture have been computer simulated using an optical compiler.

Laser-radar data fusion with Gaussian Process Implicit Surfaces

This work considers the problem of building high-fidelity 3D representations of the environment from sensor data acquired by mobile robots. Multi-sensor data fusion allows for more complete and accurate representations, and for more reliable perception, especially when different sensing modalities are used. In this paper, we propose a thorough experimental analysis of the performance of 3D surface reconstruction from laser and mm-wave radar data using Gaussian Process Implicit Surfaces (GPIS), in a realistic field robotics scenario. We first analyse the performance of GPIS using raw laser data alone and raw radar data alone, respectively, with different choices of covariance matrices and different resolutions of the input data. We then evaluate and compare the performance of two different GPIS fusion approaches. The first, state-of-the-art approach directly fuses raw data from laser and radar. The alternative approach proposed in this paper first computes an initial estimate of the surface from each single source of data, and then fuses these two estimates. We show that this method outperforms the state of the art, especially in situations where the sensors react differently to the targets they perceive.

Laser-to-radar sensing redundancy for resilient perception in adverse environmental conditions

This paper presents an approach to promote the integrity of perception systems for outdoor unmanned ground vehicles (UGV) operating in challenging environmental conditions (presence of dust or smoke). The proposed technique automatically evaluates the consistency of the data provided by two sensing modalities: a 2D laser range finder and a millimetre-wave radar, allowing for perceptual failure mitigation. Experimental results, obtained with a UGV operating in rural environments, and an error analysis validate the approach.

Augmenting traversability maps with ultra-wideband radar to enhance obstacle detection in vegetated environments

Operating in vegetated environments is a major challenge for autonomous robots. Obstacle detection based only on geometric features causes the robot to consider foliage, for example, small grass tussocks that could be easily driven through, as obstacles. Classifying vegetation does not solve this problem since there might be an obstacle hidden behind the vegetation. In addition, dense vegetation typically needs to be considered as an obstacle. This paper addresses this problem by augmenting probabilistic traversability map constructed from laser data with ultra-wideband radar measurements. An adaptive detection threshold and a probabilistic sensor model are developed to convert the radar data to occupancy probabilities. The resulting map captures the fine resolution of the laser map but clears areas from the traversability map that are induced by obstacle-free foliage. Experimental results validate that this method is able to improve the accuracy of traversability maps in vegetated environments.

Effects of magnetite on high-frequency ground-penetrating radar

Large concentrations of magnetite in sedimentary deposits and soils with igneous parent material have been reported to affect geophysical sensor performance. We have undertaken the first systematic experimental effort to understand the effects of magnetite for ground-penetrating radar (GPR) characterization of the shallow subsurface. Laboratory experiments were conducted to study how homogeneous magnetite-sand mixtures and magnetite concentrated in layers affect the propagation behavior (velocity, attenuation) of high-frequency GPR waves and the reflection characteristics of a buried target. Important observations were that magnetite had a strong effect on signal velocity and reflection, at magnitudes comparable to what has been observed in small-scale laboratory experiments that measured electromagnetic properties of magnetite-silica mixtures. Magnetite also altered signal attenuation and affected the reflection characteristics of buried targets. Our results indicated important implications for several fields, including land mine detection, Martian exploration, engineering, and moisture mapping using satellite remote sensing and radiometers.