COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS

Transcrição

1 Radiância de Superfície da água, radiância volumétrica de subsuperfície e radiância de fundo A radiância total (Lt) registrada por um sensor a bordo de uma aeronave ou satélite é uma função da energia eletromagnética proveniente de quatro fontes indicadas na figura. Lt = Lp + Ls + Lv + Lb Onde: Lp é a porção da radiância registrada por um sensor remoto da radiação solar direta (Esol) e indireta (Ecéu) descendente que, de fato, nunca atinge a superfície da água. (Radiância de tragetória) Ls é a radiância da radiação solar e atmosférica descendente que alcança a interface ar-água (algumas vezes denominada camada de superfície livre ou camada limite), mas que penetra apenas cerca de 1mm na água sendo, portanto, essencialmente refletida da superfície da água. (Reflexão solar ou gliter sunlight) Lv é a radiância da radiação solar e atmosférica descendente que de fato penetra na interface ar-água, ar água interage com a água e seus constituintes orgânicos/inorgânicos e então emerge da coluna d água sem interagir com o fundo. (radiância volumétrica ou de subsuperfície) ã da radiância â ã solar e Lb é a porção registrada resultante da radiação atmosférica descendente que penetra a interface ar-água, alcança o fundo do corpo d água e é propagada de volta na coluna d água até sair do corpo d água e alcançar o sensor.

2 Resposta espectral da água em função do comprimento de onda Para a água pura: 400 a 500nm = mínima absorção e espalhamento da energia incidente na coluna d água (melhor transmissão). 520 a 580nm = a energia incidente é muito bem absorvida e pouco espalhamento ocorre. 580 a 740nm = o espalhamento da energia se torna insignificante quando comparado com a absorção. 740 a 3.000nm = quase todo o fluxo radiante incidente é absorvido e pouco espalhamento ocorre. Portanto, o espalhamento molecular da energia violeta e azul (< 520nm) e a significativa absorção de energia nos comprimentos de onda do verde, amarelo, laranja e vermelho ( nm) em uma coluna de d água são responsáveis pela cor azul que vemos na água pura. As melhores regiões para discriminar terra de água pura são o IR próximo e o IR médio (740 a 2.500nm). Nestas regiões do IR os corpos d água aparecem muito escuros porque absorvem praticamente todo o fluxo radiante incidente, especialmente quando á a água é profunda e pura. Entretanto, deve-se ter cuidado quando existem constituintes orgânicos e inorgânicos na coluna d água (especialmente próximo a superfície), porque estes materiais produzem reflexão de superfície no IR próximo e espalhamento volumétrico de superfície.

3 Resposta espectral da água em função dos constituintes orgânicos e inorgânicos monitorando sedimentos em suspensão (Turbidez), clorofila e matéria orgânica dissolvida Ao conduzir estudos de qualidade da água ou tentar prever a produtividade da água usando dados de sensoriamento remoto, remoto normalmente estamos interessados na radiância volumétrica de subsuperfície, Lv. A radiância volumétrica de subsuperfície é uma função da concentração da água pura (w), dos sedimentos inorgânicos em suspensão (SM), da clorofila a orgânica (Chl), do material orgânico dissolvido (DOM) e da quantidade total de atenuação por absorção e espalhamento que ocorre na coluna d água devido a cada um desses constituintes, c(λ), isto é, Lv = f [ wc(λ), SMc(λ), Chlc(λ), DOMc(λ) ] - O pico de reflectância desloca-se para maiores comprimentos de onda na faixa do visível quando mais sedimentos em suspensão são adicionados. - A faixa do visível (580 a 690nm) pode fornecer informações sobre o tipo de sedimentos em suspensão (solo) nas águas; e Medidas in situ de reflectância espectral de água clara e de água com vários níveis de concentrações de sedimentos. ó - O IR próximo (714 a 880nm) pode ser útil para determinar a quantidade de sedimentos em suspensão.

4 Resposta espectral da água em função dos constituintes orgânicos e inorgânicos monitorando sedimentos em suspensão (Turbidez), clorofila e matéria orgânica dissolvida O registro da cor de uma área do oceano ou de outro corpo d água possibilita a estimativa da quantidade e tipo geral de fitoplancton na área e fornece informação sobre a condição ambiental e química da água. água Na água rica em clorofila são evidentes quatro feições pronunciadas de espalhamento/absorção: - Forte absorção do azul pela clorofila a entre 400 e 500nm; - Forte absorção do vermelho pela clorofila a em aproximadamente 675nm; - Máximo de reflectância em torno de 550nm (pico do verde) causado pela absorção relativamente menor do verde pelas algas; - Pico de reflectância proeminente em torno de nm, causado pela interação de espalhamento celular das algas e de um efeito combinado mínimo ã por pigmento e água. á de absorção Basicamente, quando a concentração de clorofila aumenta na coluna d água, há um significativo decréscimo na quantidade relativa de energia refletida do azul e do vermelho, mas um aumento na reflectância do verde.

5 Resposta espectral da água em função dos constituintes orgânicos e inorgânicos monitorando sedimentos em suspensão (Turbidez), clorofila e matéria orgânica dissolvida A Matéria Orgânica Dissolvida (DOM) é produzida por: - O Fitoplâncton dentro da profundidade fótica na coluna d água, consome nutrientes e os converte em matéria orgânica via fotossíntese (Produção Primária); - O zooplâncton consome fitoplâncton e cria matéria orgânica; - O bacterioplâncton decompõe essa matéria orgânica. Em certos casos, pode existir matéria orgânica dissolvida na água em quantidade suficiente para reduzir a penetração d água. da luz na coluna d água. Penetração na água e batimetria O mapeamento batimétrico pode ser executado usando sistemas ópticos passivos ou ativos de sensoriamento remoto. Os levantamentos mais precisos em áreas geograficamente extensas são muitas vezes feitos usando SONAR (que reflete ondas de som do fundo) e LIDAR (que reflete a luz laser do fundo). SONAR (SOund, NAvigation and Ranging Navegação e Medição de Distância pelo Som): o SONAR ativo é media a distância até o fundo através de eco-sondagem pelo envio de um p pulso acústico via um usado para p g p transdutor. Os pulsos acústicos são refletidos pelo fundo marinho e os ecos refletidos são recebidos pelo transdutor. O tempo entre o envio e o retorno do eco pode ser então utilizado para determinar precisamente a profundidade.

6 Penetração na água e batimetria Existem três principais tipos de sistemas SONAR: SONAR de feixe único; SONAR de feixe múltiplo; SONAR de varredura lateral. i ã oblíqua blí d batimetria. b i i Visão da Primeira imagem: Batimetria do Lago Tahoe resultante do uso do sistema SHOALS LIDAR para profundidade <15m e de um SONAR Kongsberg de múltiplos feixes para superfícies >15m. Segunda Imagem: Tons mais claros nos dados de retroespalhamento acústico indicam superfícies mais duras, como rochas.

7 Penetração na água e batimetria LIDAR (LIght Detection And Ranging Detecção e Medição pela Luz): exemplo SHOALS (Scanning Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey). O sistema SHOALS envia simultaneamente um pulso de laser no IR próximo (1064nm) e um no verde (532nm) em direção da superfície d água. A maior parte do pulso do IR próximo é absorvido pela água, conforme esperado, mas uma certa quantidade é refletida de volta ao receptor LIDAR. Uma porção do pulso verde também é absorvida pela água, mas uma quantidade suficiente alcança o fundo e é refletida de volta ao receptor LIDAR. O verde é utilizado porque pode penetrar na água costeiras típicas com atenuação mínima. Sua máxima profundidade é de aproximadamente 60m. A profundidade da água é calculada a partir da diferença de tempo entre o retorno do IR próximo pela superfície e o retorno do verde pelo fundo e também da velocidade da eem no ar e na água. A batimetria por LIDAR aerotransportado supera as limitações dos sensores acústicos (SONAR) em alguns pontos: - Opera especialmente bem em água rasa, onde os barcos encalham; á - Possibilita o levantamento de áreas costeiras arriscadas (ex., com ondas altas) de forma segura; - Por ser móvel, permite rápida resposta em situações de emergência; - Áreas extensas podem ser inventariadas rapidamente, propiciando vantagens econômicas.

8 Temperatura da superfície da água A água tem uma emissividade (ε) muito próxima a 1. Desta forma, forma é possível obter medidas relativamente precisas da temperatura da superfície da água, água porque a medida de temperatura radiante registrada pelo sensor (Trad) é aproximadamente igual à temperatura cinética verdadeira (Tkin), assumindo que os efeitos da atmosfera são levados em conta. Mapa de temperatura da superfície do mar (TSM) resultante de uma composição de três dias de d d dados d do i f infravermelho lh termal do NOAA AVHRR com a série centrada em 4 de março de 1999.

9 Precipitação A precipitação pode ser medida operacionalmente, em base local ou regional, usando s.r. ativo de microondas com sensores operando fixos em superfície (são os chamados radares meteorológicos). O radar meteorológico, por exemplo, emite um feixe de eem com um λ de 11,1cm. Se a eem atinge um objeto (gota d água, floco de neve, granizo, pássaro, etc.) ela é espalhada. Uma pequena fração da energia espalhada pode dirigir-se de volta para a antena de radar. O alcance máximo deste tipo de radar é de aproximadamente 400km. No caso de sensores remotos os valores de precipitação são obtidos de forma indireta através da reflectância das nuvens, temperatura do topo das nuvens e/ou da presença de precipitação de neve e granizo para estimar as taxas de precipitação pluviométrica na superfície. Técnicas do visível - IR Apesar das dificuldades existentes em utilizar dados do visível e IR algumas técnicas forma desenvolvidas: - Duas estimativas diárias de radiação de ondas longas emergentes usando os sensores de órbita polar do IR a bordo do AVHRR para estimar precipitações mensais, e - Um índice denominado GOES Precipitation Index (GPI), que se baseia na análise de dados do IR termal, classificando os pixeis como chuvosos numa taxa de 3mm/h se a temperatura do topo de nuvens for <235K. O GPI já foi o produto climatológico de precipitação padrão, que fornecia um registro de precipitação em escala climática nos trópicos e subtrópicos.

10 Precipitação Técnicas do microondas ativas e passivas O primeiro sensor de microondas para estimativa da taxa de precipitação foi o SSM/I (Special Sensor Microwave Imager) em 1987 e incluía um canal de alta frequência em 85,5GHz. Basicamente, partículas do tamanho do gelo e grandes gotas de chuva reduzem significativamente a emissividade da nuvem e, portanto, diminuem sua temperatura de brilho abaixo de um nível nominal de referência (background). Em 1997 a NASA e a NASDA lançaram o satélite Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) com cinco instrumentos utilizados para estimativas de precipitação das regiões tropicais e subtropicais: - O TMI (TRMM Microwave Imager) mede o volume de precipitação integrada na coluna em uma faixa de 780km de largura (Opera nas frequências de 10,7; 19,4; 21,3; 37 e 85,5GHz. - O PR (Precipitation Radar ) mede a distribuição tridimensional da chuva sobre o continente e os oceanos (13,8GHz com polarização HH). - O VIRS (Visible Infrared Scanner ) fornece informação sobre a cobertura de nuvens e sobre o tipo e temperatura do μ topo de nuvens (Opera em 0,63; 1,6; 3,75; 10,8 e 12 μm). - O LIS (Lightning Imaging Sensor ) mede a incidência global de reai9os usando um sistema de s.r. óptico operando em 0,777 μm. - O CERES (Clouds and Earth s Radiant Energy System ) é projetado para medir a energia radiativa refletida e emitida í ó pela superfície da Terra e pela atmosfera e seus constituintes (p. ex. nuvens e aerossóis), com as seguintes bandas: de 0,3 a 5 μm e de 8 a 12 μm.

11 Aerossóis e Nuvens Os aerossóis podem ser sólidos ou líquidos e variar em tamanho de 0,01 μm até várias dezenas de micrometros. Até recentemente não havia um instrumento capaz de estudar a composição dos aerossóis na atmosfera. O MISR (Multiangle Imaging SpectroRadiometer) a bordo do satélite Terra do programa EOS coleta informações em quatro bandas espectrais e nove ângulos de visada para obter informação quantitativa sobre a localização e conteúdo dos aerossóis. Mais do qualquer outro componente do sistema climático, as nuvens afetam o fluxo de energia na atmosfera da Terra. Uma nuvem pode aquecer ou resfriar a Terra, dependendo da sua espessura e altura acima da superfície. Nuvens baixas e espessas refletem a radiação solar incidente de volta para o espaço, causando resfriamento. Nuvens altas aprisionam a radiação IR emergente e produzem o efeito estufa. Nuvens no visível: Os primeiros satélites meteorológicos mediam apenas a energia refletida pelas nuvens na faixa do visível. Nesta faixa do eem as nuvens aparecem claras enquanto a superfície continental e a água aparecem mais escuras. O METEOSAT trabalha com 3 canais, visível (0,4 a 1,14μm), IR termal (10,5 a 12,5μm) e vapor d água (5,1 a 7,1μm). Nuvens no IR termal: a banda mais utilizada é entre 10 e 12,5μm, onde a atmosfera é relativamente transparente à energia nesse comprimento de onda emergente da superfície da Terra e das nuvens. Em meteorologia por satélite as imagens IR são normalmente invertidas, isto é, quanto maior for a radiância de um píxel, mais escuro ele será. Assim, nuvens que são normalmente mais frias do que a superfície da Terra, aparecem em branco nas imagens do visível. O terreno ou oceanos, mais quentes, aparecem mais escuros do que as nuvens.

12 Aerossóis e Nuvens É possível determinar o tipo de nuvem com base em medidas espectrais nas porções do visível e infravermelho. Nuvens cumulonimbus convectivas são frias e claras. O mar e a superfície da terra são mais quentes e escuros. Muitos trabalhos estão sendo feitos para detectar a presença de nuvens usando um limiar de temperatura fria no IR termal. O objetivo é identificar pixels com baixa temperatura que correspondem a nuvens de média ou alta altitude. Normalmente o p principal problema é especificar o valor exato do p p p limiar de temperatura.

13 Vapor d água O vapor d água é essencial para a precipitação. Não apenas é o mais importante gás estufa na atmosfera, como também tem um papel essencial para a compreensão e previsão dos processos meteorológicos mais importantes, desde a convecção até a formação de nuvens e precipitação, e dos fortes temporais resultantes. É possível mapear o vapor d d água água medindo as bandas de absorção de vapor d d água água. O λ mais comum está centrado em 6,7 μm (o METEOSAT 4 trabalha na região espectral de 5,1 a 7,1 μm). Neste comprimento de onda a maior parte da radiação medida pelo sensor vem da camada atmosférica entre 300 e 600km de altitude. A umidade relativa é provavelmente mais alta nas áreas mais claras das imagens obtidas na banda de vapor d água. Áreas claras e escuras podem também indicar movimentos ascendentes e descendentes, respectivamente. Também posso utilizar o IR próximo na faixa de λ que vai de 890 a 990nm onde existem três bandas de absorção de vapor d água: uma forte centrada em 942nm e duas mais fracas em 906 e 977nm. O MODIS possuir as seguintes bandas nesta faixa do eem: Banda 17 (0,890 0,920μm), Banda 18 (0,931 0,941μm) e Banda 19 (0,915 a 0,965μm).

14 Neve Neve no espectro vísivel Quando as nuvens não estão presentes em uma imagem do visível e/ou IR próximo, é uma tarefa relativamente simples identificar a distribuição espacial da neve, porque geralmente ela é mais clara do que a vegetação, solo ou água próxima que não estejam cobertos por neve. neve Neve nas regiões do IR médio Nas porções do visível e do IR próximo, nuvens e neve refletem quantidades aproximadamente iguais de fluxo radiante. Na porção do IR médio (1,5 a 2,5 μm) as nuvens continuam a refletir quantidades substanciais de eem, enquanto a reflectância da neve aproxima-se aproxima se de zero. Alguns índices foram criados para detectar automaticamente regiões com neve (NDSI Normalized Difference Snow Index): TM 2 = 0,52 0,60μm TM 5 = 1,55 1,75μm MODIS 4 = 0,545 0,565μm MODIS 6 = 1,628 1,652μm

15 Modelagem da qualidade da água Fontes pontuais de poluição da água são fáceis de controlar e regular. A NPS (Poluição de fonte não-pontual) é definida como a poluição que se origina de descargas urbanas, construção, modificação hidrológica, silvicultura, mineração, agricultura, fluxos de retorno de irrigação, lixo sólido, deposição atmosférica erosão de bancos de rios e esgotos, atmosférica, esgotos etc. etc Técnicas tradicionais de medidas in situ têm tido um efeito limitado na identificação e modelagem da NPS, assim a integração destes dados e de s.r. com técnicas de modelagem em SIGs podem fornecer informações útil sobre a qualidade da água. Modelagem da poluição de fonte não-pontual usando o modelo de poluição e qualidade da água Agricultural NonPoint Source (AGNPS) aplicado a duas subbacias. a) Hidrografia da bacia Withers Swash em Myrtle Beach, SC. A modelagem baseou-se em células de 30x30m e em uma precipitação de 68mm em 24 horas. b) Topografia foi obtida f t fotograficamente fi t e usada d para extrair t i a informação i f ã de d declividade. d li id d c)) Dados D d dos d solos l foram amostrados em campo. d) As características de cobertura da terrra foram obtidas de análise de fotografias aéreas e de dados do sensor multiespectral ATLAS. e) Fluxo concentrado de pico modelado em pés cúbicos por segundo. f) Erosão total da célula modelada em toneladas por acre (Schill e Jensen, 1998).