Características espectrais de alvos naturais. Aula 4 Professor Waterloo Pereira Filho Docentes orientados: Daniela Barbieri Felipe Correa

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1 Características espectrais de alvos naturais Aula 4 Professor Waterloo Pereira Filho Docentes orientados: Daniela Barbieri Felipe Correa

2 Radiometria espectral É por meio das medidas radiométricas de laboratório ou de campo que se descobrem com qual intensidade cada material, seja água, solo, vegetação ou minerais e rochas, reflete a radiação eletromagnética nos diferentes comprimentos de onda do espectro eletromagnético (Meneses, 2001). Reflectância ρ = 100 L E Onde: ρ = reflectância em porcentagem; E = intensidade da energia incidente; L = intensidade da energia que deixa a amostra.

3 Espectrorradiometria de reflectância é uma técnica que tem a função de medir em diferentes comprimentos de onda a energia eletromagnética refletida da superfície dos objetos e representá-la na forma de um gráfico que se denomina curva de reflectância espectral (Meneses, 2001).

4 Cada objeto na superfície terrestre apresenta uma curva espectral indicando reflectância espectral em diferentes bandas dos sensores remotos, seja ele no visível ou no infra-vermelho. Assim quanto maior for o pico de reflectância no gráfico, mais clara será a cor do objeto (alvo) caracterizado na imagem, quanto menor for o pico de reflectância no gráfico, mais escura será a cor do objeto (alvo) caracterizado na imagem. (SAUSEN, et al., p.7, 1999).

5 Características espectrais da água

6 A interpretação do comportamento espectral da água em relação aos demais alvos naturais é de grande diferença e complexidade. Pois a energia refletida pela água é consideravelmente menor que os demais alvos, sendo o fator de maior relevância para estudos por produtos do sensoriamento remoto. A interpretação dos dados torna-se mais complexa pela interferência atmosférica na região de maior penetração de luz na água, a transmitância variável e alta em função das diferentes profundidades, componentes opticamente ativos da água apresentarem espectros semelhantes e à reflectância da superfície da água que é mais elevada que a do volume e afetada por outros fatores. Fonte: NOVO, 2008.

7 Comportamento Espectral Água no estado líquido: apresenta baixa refletância entre 380 nm e 700 nm nm, absorvendo toda R.E.M. acima de 700 nm. Água em forma de nuvens: apresenta alta refletância entre 380 nm e 2500 nm com bandas de absorção amplas próximas de 1000 nm, 1300 nm e 2000 nm. Água em forma de neve: elevada refletância, (maior que a das nuvens), entre 700 nm e 1200 nm. De 1200 a 1400nm a refletância decresce rapidamente sendo muito absorvida ou seja com baixa refletância at até 2500nm. Fonte: NOVO, 2008.

8 Um dos principais interesses do uso do sensoriamento remoto em ambientes aquáticos é verificar a variação espacial e temporal da composição da água, possibilitando investigar a origem e o deslocamento de substâncias específicas em suspensão ou dissolvidas na água (JENSEN, 2009). Sistema Aquático Água Composição Substâncias Dissolvidas Partículas em Suspensão Organismos vivos Fonte: Rudorff, Constituintes opticamente ativos (COAs( COAs)

9 A radiação descendente penetra a interface ar-água, interagindo com a água e seus componentes opticamente ativos e emergem da coluna d água sem interagir com o fundo. Essas radiações fornecem informações sobre as características da composição da coluna d água (JENSEN, 2009). Fonte: Adaptado de Barbosa, 2005.

10 Geometria alvo-fonte fonte-sensor para coleta em campo de dados espectrais Reflectância 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0, Comprimento de onda (nm)

11 Clorofila O fitoplâncton é um grupo heterogêneo composto principalmente por algas fotossintetizantes que se distribui por grande parte dos ambientes marinhos e aquáticos continentais. Nestes ambientes, é o principal responsável pela captação de energia eletromagnética, produzindo oxigênio durante o processo fotossintético. Todo o fitoplâncton em corpos d água contém o pigmento fotossinteticamente ativo clorofila a, embora as clorofilas b, c, d e mesmo e podem estar presentes em várias profundidades. Fonte: ARRAUT et al., 2005; JENSEN, 2009; CORAZZA, 2010.

12 A clorofila a ao ser introduzida na água pura provoca mudanças em suas características de reflectância espectral, isto é em sua cor. A figura exibe as características da reflectância espectral da água clara e da mesma água contendo alga composta primariamente por clorofila a. A água clara refletiu aproximadamente 2% entre 400 e 500 nm e diminui gradualmente para menos que 1% em comprimentos de onda maiores que 710 nm. Observa-se que quando a concentração de clorofila aumenta na coluna d água, há um significativo decréscimo na quantidade relativa de energia refletida nos comprimentos de onda do azul (entre 400 e 500 nm) e do vermelho (aproximadamente em 675 nm), mas um aumento na reflectância do comprimento de onda do verde (JENSEN, 2009). Medidas in situ de reflectância espectral da água clara e de água contendo clorofila. Fonte: JENSEN, 2009.

13 Reflectância Reflectância do Reservatório Passo Real - 9 e 10/06/2010 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Comprimento de onda (nm) PR 01 PR 02 PR 03 PR 04 PR 05 PR 06 PR 07 PR 08 PR 09 PR 10 PR 11 PR 12 PR 13 PR 14 PR 15 PR 16 PR 17 PR 18 PR 19 PR 20 PR 21 PR 22 PR 23 PR 24 PR 25 PR 26 PR 27 PR 28 PR 29 PR 30 PR 31

14 Sedimentos em Suspensão O TSS compõe dois tipos diferentes de sedimentos em suspensão, os orgânicos (SOS) e inorgânicos (SIS). Os sedimentos orgânicos em suspensão estão relacionados principalmente à cor da água. A alteração da cor da água deve-se a forte absorção da radiação eletromagnética nos menores comprimentos de onda da faixa do visível, principalmente na região do azul. Com várias bandas de absorção sobrepondo-se, estes compostos apresentam uma curva de absorção semelhante a matéria orgânica dissolvida, com valores altos no ultravioleta e azul, decrescendo até o verde e valores muito baixos no vermelho (MANTOVANI e NOVO, 1996; NOVO, 2001).

15 A figura ilustra a reflectância espectral da água clara (pura) e da água com concentrações variáveis de sedimentos em suspensão oriundos de solo siltoso. A reflectância da água clara diminui continuamente após cerca de 580 nm devido à absorção da coluna d água. Quanto a concentração de sedimentos em suspensão aumenta, a reflectância é maior em todos os comprimentos de onda, principalmente na faixa 500 e 700 nm. Ainda é verificado um aumento em direção do infravermelho (JENSEN, 2009). Medidas in situ de reflectância espectral da água clara e de água com vários níveis de concentração de sedimentos em suspensão de solo siltoso. Fonte: JENSEN, 2009.

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17 Características espectrais da vegetação

18 Gráfico da vegetação dividido em três regiões espectrais: Até 0,7 µm a reflectância é baixa (<20%). De 0,7 a 1,3 µm temos a região dominada pela alta reflectância da vegetação (30%<ρ<40%). De 1,3 a 2,5 µm, a reflectância da vegetação é dominada pelo conteúdo de água das folhas. Fonte: Jensen (2009). Fonte: Novo, 1992.

19 Fatores que afetam a reflectância da vegetação Fatores Morfológicos Densidade da cobertura vegetal Densidade de plantio Largura da folha Distância entre folhas Inserção foliar Fatores Fisiológicos Idade da planta Déficit Hídrico Tipo e espessura das folhas Nutrientes Conteúdo de água na folha Fonte: Jensen, 2009.

20 Simulação de dossel Fonte: Ponzoni, 2009.

21 Fonte: Jensen, 2009.

22 Influência da umidade Fonte: Jensen, 2009.

23 A resposta espectral da vegetação, entretanto, se modifica ao longo do seu ciclo vegetativo. O impacto das alterações fenológicas e morfológicas sofridas pelas plantas que formam o dossel sobre o comportamento espectral varia: 1 - com a região do espectro 2 - com o tipo de cultura 3 - com ângulo de visada Fonte: Novo, 2008.

24 Características espectrais dos solos

25 Fatores que afetam a reflectância dos solos 1. Umidade (maior umidade causará uma menor reflectância através da porção refletida do espectro eletromagnético); 2. Conteúdo de matéria orgânica ( um aumento em matéria orgânica causará uma diminuição da reflectância); 3. Quantidade de óxido de ferro (um aumento em óxido de ferro causará uma diminuição de reflectância); 4. Porcentagem relativa de argila, silte e areia (uma diminuição do tamanho das partículas aumentará a reflectância); 5. Características de aspereza da superfície dos solos (uma diminuição na aspereza da superfície causará um aumento do nível de reflectância).

26 Fonte: Jensen, 2009.

27 Umidade do solo Com o aumento do teor de umidade no solo temos uma maior absorção de energia radiante em todo o espectro da curva, diminuindo a refletância, porém a forma geral da curva não se altera. Fonte: Jensen, 2009.

28 Solos úmidos, em geral, apresentam uma reflectância menor que os secos, na faixa de comprimento de onda de 400 a 2600 nm. Para ilustrar, na figura ao lado são mostrados várias curvas espectrais de solos contendo diferentes porcentagens de água. É possível observar ainda que todas elas apresentam bandas de maior absorção pela água em 1400 nm, 1900nm e 2200 nm.

29 Teor de matéria orgânica Com o aumento do teor de matéria orgânica (>2%) temos uma maior absorção da R.E.M. em todo espectro estudado. Alem disso, a matéria orgânica também mascara a presença dos óxidos de ferro, na região do visível, diminuindo a intensidade dos picos de absorção dos óxidos.

30 Condições de superfície A rugosidade do alvo proporciona uma maior interação com a R.E.M o que promove uma maior absorção quando comparado com uma superfície teoricamente lisa. Reflectância Reflectância

31 Características espectrais dos minerais

32 As propriedades espectrais de minerais e rochas são passíveis de análise via perfis espectrais onde são observados gradientes e localização de bandas de absorção, sendo principalmente discutida nas regiões do visível e do infravermelho próximo devido a maior disponibilidade de dados. Os elementos químicos mais abundantes na natureza como Si, Al, O e Mg não possuem feições típicas de absorção. Nos minerais, os elementos ou as substâncias mais importantes que determinam as feições diagnósticas na faixa do espectro refletido são os íons ferroso (Fe2+) e férrico (Fe3+), o carbonato, a água e a hidroxila, os quais tem potencialidade para dar informações indiretas sobre a concentração dos elementos mais abundantes. Fonte: VENTURINI, 2007.

33 Os principais componentes das rochas e minerais (p.ex.,oxigênio, silício, alumínio) não produzem feições de absorção no intervalo nm. Portanto, espectros de minerais e rochas são influenciados pelos componentes menores tais como ferro, magnésio e cálcio. Fonte: Meneses e Ferreira Júnior, 2001.

34 Referências ARRAUT, E. M.; et al. Estudo do comportamento espectral da clorofila e dos sólidos em suspensão nas águas do Lago Grande de Curuai (Pará), na época de seca, através de técnicas de espectroscopia de campo. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, 12., 2005, Goiânia. Anais... Goiânia: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, p BARBOSA, C. C. F. Sensoriamento remoto da dinâmica da circulação da água do sistema planície de Curuai/Rio Amazonas. Tese de Doutorado, São José dos Campos: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), 2005, 282 p. CORAZZA, R. Relações entre variáveis espectrais e limnológicas no Reservatório da Usina Hidrelétrica Dona Francisca RS f. Dissertação (Mestrado em Geografia) Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, JENSEN, J. R. Sensoriamento remoto do ambiente: uma perspectiva em recursos naturais. São José dos Campos, SP: Parêntese, MENESES, P. R. Fundamentos de Radiometria Óptica Espectral. In.: MENESES, P. R.; NETTO, J. S. M. (Orgs.) Sensoriamento Remoto: reflectância de alvos naturais. Brasília: Embrapa Serrados, MENESES, P. R.; FERREIRA JÚNIOR, L. G. Comportamento Espectral de Minerais e Rochas. In.: MENESES, P. R.; NETTO, J. S. M. (Orgs.) Sensoriamento Remoto: reflectância de alvos naturais. Brasília: Embrapa Serrados, 2001.

35 NOVO, E. M. L. M. Sensoriamento remoto: princípios e aplicações. 2 ed. São Paulo: Blucher, NOVO, E. M. L. M. Comportamento Espectral da Água. In: MENESES, P. R.; MADEIRA NETTO, J. das S. (Orgs.) Sensoriamento Remoto: Reflectância de Alvos Naturais. Brasília: UnB, Embrapa Cerrados, p NOVO, E. M. L. M. Sensoriamento remoto: princípios e aplicações. 3 ed. São Paulo: Blucher, PONZONI, F. J.; SHIMABUKURO, Y. E. Sensoriamento Remoto no estudo da vegetação. São José dos Campos, SP: A. Silva Vieira, SAUSEN, T. M. ; RUDORFF, B. F. T. ; SIMI JUNIOR, R. ; AULICINO, L. C. M.. Sensoriamento remoto e suas aplicações para recursos naturais. Vale Paraibano - Encarte Especial, São José dos Campos, p. 1-4, 21 ago VENTURINI, A. Curso de introdução às técnicas de sensoriamento remoto. Belém, novembro de 2007.

36 Questões 1. O que é curva de reflectância espectral? 2. Quais elementos ou fatores que alteram as características espectrais da água pura, do solo, da vegetação e dos minerais?