Departamento de Agronomia UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

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1 Tecnologias utilizadas na agricultura de precisão. Os sensores Interacção da EEM com os objetos. Assinaturas espetrais. A cor dos objetos vs sensores óticos Sensores óticos vs deteção remota Caraterização dos sensores óticos Resposta espetral de alvos naturais Análise de imagens de satélites Sensores remotos por RADAR Sensores remotos por LiDAR Sensores de proximidade Outros sensores Sistemas orbitais de deteção remota

2 A reação de qualquer corpo à radiação (REM) faz-se pela reflexão, transmissão e absorção. Em função da natureza do corpo, seu nível energético e do ângulo de incidência da radiação dáse uma reflexão, transmissão e absorção. Parte da energia absorvida é depois emitida. Um corpo negro absorve toda a energia e um branco reflete toda a energia. A quantidade de energia refletida e emitida por um corpo nos vários comprimentos de onda designa-se por assinatura (resposta) espetral. Cada objeto tem apenas uma resposta espetral. As caraterísticas das plantas tais como o seu desenvolvimento vegetativo, stress hídrico, danos foliares, doenças, carências de azoto, etc., podem ser determinada por deteção remota baseando-se nos Índices Vegetativos. As variações no dossel de uma dada área ou as diferenças temporais aí observadas podem ser identificadas por deteção remota o que permite, utilizando ferramentas específicas, determinar as causas dessas variações.

3 Identificação dos objetos a partir do conhecimento das suas assinaturas espetrais: A vegetação A vegetação (ex. uma folha), tendo composições químicas e estruturas físicas diferentes apresenta grandes variações espetrais. No espetro do visível as folhas têm baixa reflexão no azul e vermelho, média no verde, pois a clorofila absorve grande parte da radiação do visível tendo um pico de reflexão nos 0.55 µm (verde). No verde a resposta espectral das folhas é influenciada, principalmente, pelos pigmentos existentes nos cloroplastos como, clorofila (65%), carotenos (6%) e xantofilas (29%). A clorofila absorve mais na região do azul e do vermelho (com picos de absorção em aproximadamente e µm) do que no verde (pico de reflexão em 0.54 µm aproximadamente). No espetro do IV próximo as folhas tem uma reflexão elevada devido à sua estrutura interna; as folhas precisam irradiar parte da energia absorvida por forma a manter o equilíbrio térmico. O teor de água das folhas condiciona igualmente a radiação emitida (assinatura espetral) pois a absorção pela água ocorre nos 1.4, 1.9 e 2.7 µm; importante para determinação do stress hídrico (1).

4 A vegetação (cont) O stress hídrico causa uma diminuição do teor de clorofila e um aumento de refletância na região do vermelho (aspeto menos verde das folhas). A estrutura interna das folhas causa um pico de refletância na região do IV próximo (de 0.7 a 1.3 µm) com valores próximos de 45 a 50% (1). A refletância aumenta nessa região do espetro com o número de camadas de folhas. Teor em água. Na região do IV médio existem picos de absorção em 1.4, 1.9 e 2.7 µm aproximadamente, causados pela presença de água nas folhas. O aumento do teor de água nas folhas provoca uma diminuição de refletância (> transmissão). Índice de área foliar. Consequentemente, a refletância de um coberto verde depende fortemente do índice de área foliar.

5 Efeito da presença de diferentes pigmentos na refletância da folha 400 nm (azul) a 700 nm (vermelho): - nesta faixa a refletância baixa - nos 550 nm verifica-se um pico no verde - entre 450 e 650 nm verifica-se uma absorção pela clorofila - mudanças na pigmentação afetam mais no visível

6 Efeito da presença de diferentes pigmentos na refletância da folha 700 a 1400 nm (infravermelho próximo): - refletâncias altas (45-50%) - transmitâncias altas (45-50%) - baixas absorvâncias (~ 5%) (1) - factor: estrutura interna das folhas Células + Cavidades de ar => reflexões e refracções múltiplas, devido à diferença de índices de refração entre o ar (1,0) e as paredes celulares hidratadas (1,4) (2) A sobreposição de camadas múltiplas de folhas causa aumento na refletância do IVP (3) até um valor estável máximo => refletância infinita

7 Efeito da presença de diferentes pigmentos na refletância da folha nm: infravermelho médio: - fortes bandas de absorção pela água (1400, 1900, 2700 nm) - absorção fortemente influenciada pelo conteúdo de humidade das folhas - quanto maior quantidade de água => menor refletância (maior transmitância) Refletância: é o quociente entre o fluxo de radiação refletido pelo alvo dividido pelo fluxo de radiação incidente Transmitância: o fluxo de radiação transmitido pelo alvo dividido pelo fluxo de radiação incidente. Absorvância: é a razão entre o fluxo de radiação absorvido pelo alvo dividido pelo fluxo de radiação incidente.

8 Efeito da presença de diferentes pigmentos na refletância da folha Em resumo:,, das folhas dependem dos pigmentos teor de humidade estrutura interna stress - reflexão - absorção - transmissão são função do tipo de folha, estágio de maturação e da senescência

9 O solo O solo apresenta uma interpretação espetroradiométrica mais complicada que a vegetação, pois a REM incidente é quase toda refletida e absorvida (1), sendo a transmissão muito pequena. Os principais fatores que determinam a reflexão são o teor de humidade, a matéria orgânica, calcário, óxidos de ferro, textura e estrutura. Os dois primeiros, devido à cor escura, absorvem a radiação sendo o calcário o oposto. O óxido de ferro reflete o vermelho e absorve o verde o que define uma assinatura específica que pode ser utilizada na prospeção de depósitos de ferro. Aspetos importantes: - a rugosidade do solo causa em geral um aumento de refletância. - o aumento do teor de matéria orgânica está associado a uma diminuição da refletância. - o aumento do teor de água do solo provoca uma diminuição de refletância.

10 A água A água tem uma baixa reflexão na zona do visível, sendo a maioria da radiação transmitida e uma pequena parte absorvida. Aspetos importantes: - a água não reflete radiação para c.d.o. acima da região do visível - a existência de sedimentos na água provoca um aumento da refletância. (1) - o aumento do teor de clorofila na água (algas) provoca uma diminuição de refletância na zona do azul e vermelho e um aumento na zona da verde

11 Exemplos de curvas espetrais

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13 > nogueira > abeto branco

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15 Refletividades típicas do solo, vegetação e água

16 Curvas de refletância espetral de árvores de folha perene e de árvores de folha caduca (1) Folha caduca Folha perene

17 Assinatura espetral vegetação solo arenoso água turva água limpa

18 F I M

19 Percurso da radiação solar A deteção remota utiliza a energia refletida e emitida pelas superfícies para criar um mapa diferencial dessas superfícies

20 Interações da energia eletromagnética com o meio ambiente

21 Energia incidente, E I ( ) Energia refletida, E R ( ) Energia absorvida, E A ( ) Energia transmitida, E T ( ) E I ( )= E R ( )+E A ( )+ E T ( ) A radiação emitida (energia incidente) ao incidir sobre a superfície de outra matéria pode ser refletida, absorvida ou transmitida. Quando absorvida a energia é emitida em diferentes comprimentos de onda.

22 Interação da REM com um Objeto = refletância = absortância = transmitância

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25 Comportamento espetral da Vegetação: Interações Dossel / Substrato Sol Sensor R C = R V + T V2 *R S (ver notas) R V T V2 *R S Dossel T V T V *R S R S Solo

26 Grandezas Radiométricas

27 Grandezas Radiométricas Objectivo: Analisar a interação entre a REM e os objetos da superfície terrestre Absorvância ( ): Razão entre o fluxo absorvido e o fluxo incidente (água líquida) Refletância ( ): Razão entre o fluxo refletido e o fluxo incidente. Transmitância ( ): Razão entre o fluxo transmitido e o fluxo incidente (folha-caule)

28 Grandezas Radiométricas As proporções de energia refletida, absorvida e transmitida variam com os objetos terrestres (tipo de material e condição) Para o mesmo tipo de objecto, a proporção de energia refletida, absorvida e transmitida varia nos diferentes comprimentos de onda. A radiância registada pelo satélite é a combinação das 3 componentes.

29 Refletância: A energia refletida pela superfície da Terra depende de: - da direção do Sol relativamente ao objeto. A direção da energia incidente é caraterizada pelos ângulos Φi e ϕi (como a fonte da energia incidente é o Sol a notação Φs e ϕs também é utilizada; - a direção segundo a qual o sensor vê o objecto observado. Esta é a direção da energia incidente, caraterizada pelos ângulos Φr e ϕr. Como esta a direção de observação do satélite a notação Φv e ϕv também é utilizada Como a refletância depende das duas direções, da do Sol e da do sensor, o termo refletância bidirecional é utilizado. A refletância depende, a maioria das vezes, da observação do comprimento de onda.

30 Refletância difusa e especular As superfícies reais refletem usualmente com algum grau de anisotropia.

31 Caraterização geométrica dos refletores

32 Reflexão das folhas

33 Interesse principal - deteção Remota - refletância Tipo de reflexão de um objecto depende: - Comprimento da onda ( ) incidente Refletância difusa e especular Classificação da refletância: - Especular = refletida com um ângulo igual ao de incidência - Difusa = refletida em diversos ângulos e com diversas intensidades (maioria)

34 Emitância: A emitância (M) é a radiação emitida por unidade de superfície (dw) para atmosfera. Esta radiação é, assim, emitida em todas as direções numa meia esfera. M = p L p - factor de normalização entre o integral de todas as direcções (half-space) (M) e uma direção específica (L)

35 Irradiação (irradiance) (1) A irradiação é a radiação (E) recebida por unidade de superfície de todas as direções do espaço (meia esfera - hemisfério) E L O elemento da superfície da Terra ds recebe a radiação E da meia esfera envolvente e atua, relativamente ao sensor, com a fonte de radiação L segundo a direção Φ.

36 Radiância (radiance) A radiância (L) é a energia emitida (dw) por unidade de um ângulo sólido (solid angle) e por unidade da superfície projectada (ds cos Φ ) de uma vasta superfície numa dada direção (Φ).

37 Grandezas Radiométricas Objetivo- Analisar a interação entre a REM e os objetos da superfície terrestre Radiância: - quantidade de REM, numa direção, que deixa uma superfície por unidade de área em ângulo sólido. - radiação emitida / refletida pelos alvos. - radiação fora do campo de visada do sensor não é detetada.

38 Grandezas Radiométricas Irradiância: - É a quantidade de radiação que incide sobre uma superfície, por unidade de área. - É diferente de ponto para ponto e pode ser o resultado de emissões e reflexões de outras superfícies

39 Corpo Negro Modelo Teórico Ideal - absorve e emite toda a radiação incidente ou própria, ao mesmo tempo Existência de uma Fonte de Energia Fontes de REM - Naturais: Sol (principal) e Terra - Artificiais: Radar Deteção dos objetos depende da : - Intensidade de energia irradiada; - Qualidade da fonte de REM.

40 Geometria da refletância (a) Refletor difuso ideal Superfície Lambertiana (b) Refletor difuso direcional (c) Refletor especular (espelho) (d) Retro-refletor A refletância é descrita por funções BRDF: Bidirectional refletance Distribution Function Para saber mais sobre BRDF:

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