REFLECTÂNCIA ESPECTRAL DA ÁGUA

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1 REFLECTÂNCIA ESPECTRAL DA ÁGUA Radiação Eletromagnética no Ambiente Aquático; Absorção e Espalhamento da Luz em um Corpo D água; Influência Espectral dos Componentes da Água; Sensoriamento Remoto de Ambientes Aquáticos; O Pantanal Brasileiro: um Exemplo de Aplicação RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA EM UM AMBIENTE AQUÁTICO No intervalo do visível, a interação energia-matéria para corpos d água é complexa Em qualquer corpo d água, 90% do fluxo emergente (espalhamento abaixo da superfície) origina-se dentro do próprio sistema aquático; O fluxo emergente (Lw) é o dado monitorado pelos satélites, mas a medida de real interesse é o fluxo de luz ascendente (Lu) logo abaixo da superfície, porque ele contém informação sobre a composição do meio aquático; 1

2 A relação entre Lw e Lu é: Lw (θ, φ) = 0544Lu (θ, φ) onde, Lw = radiância logo acima da superfície; Lu = radiância logo abaixo da superfície; θ = ângulo nadir dentro da água; θ = o ângulo no ar após a refração na superfície; φ = ângulo azimutal de observação 2

3 Para aplicações de sensoriamento remoto, é importante corrigir os dados para os efeitos atmosféricos e para a influência da elevação solar; A quantidade de energia transmitida através da interface ar-água pode ser absorvida e espalhada, dependendo do tipo e concentração dos componentes opticamente ativos da água; ABSORÇÃO E ESPALHAMENTO DA LUZ NO AMBIENTE AQUÁTICO O efeito do espalhamento é aumentar a probabilidade dos fótons serem absorvidos pelos componentes da água; O espalhamento pode ser seletivo ou não-seletivo quando o espalhamento da partícula for menor ou maior que 700 nm, respectivamente; 3

4 A captura de fótons no meio aquático produz transições do nível inferior (nível de baixa energia) para o estado excitado (alta energia) no visível; A absorção da luz nos corpos d água é principalmente devida a quatro componentes: a própria água, pigmentos amarelos dissolvidos, a biota fotossintética, e os sedimentos inorgânicos em suspensão; INFLUÊNCIA ESPECTRAL DOS COMPONNTES DA ÁGUA Os espectros de água pura são caracterizados por uma absorção muito baixa no intervalo do azul e uma absorção crescente do vermelho para o infravermelho próximo De fato, a água pura é um líquido azul; 4

5 Matéria orgânica dissolvida (gilvin ou substância amarela) é composta por substâncias húmicas derivadas da decomposição dos tecidos de plantas no solo ou nos corpos d água Seus componentes solúveis na água conferem uma cor amarela para a água; Tripton (matéria particulada inanimada) é um componente do seston, que inclui também o fitoplâncton O tripton tende a dominar o espectro de absorção, especialmente se a concentração do fitoplâncton for baixa; O espectro de absorção do tripton é caracterizado por uma baixa absorção no vermelho e uma alta absorção na direção do azul; 5

6 A biota fotossintética (fitoplâncton e macrófitas) é uma importante componente espectral para a absorção da luz; Pigmentos fotossintéticos (clorofila, carotenóides, biliproteínas) absorvem luz, especialmente nos intervalos do vermelho e do azul; 6

7 De acordo com Kirk (1996), o espectro de absorção total de um meio aquático pode ser visto como a soma dos coeficientes de absorção de cada componente espectral com o da água pura; TM/Landsat 5 true color composite 7

8 SENSORIAMENTO REMOTO DOS AMBIENTES AQUÁTICOS A concentração total de sedimentos sólidos em suspensão (TSS = frações orgânicas + inorgânicas) é um dos parâmetros de qualidade de água mais estudados a partir de dados de sensoriamento remoto; TSS é dependente não apenas da natureza do ambiente físico (clima, topografia, tipo de solo),mas também do uso da terra; A água túrbida tem maior reflectância que a água clara, especialmente devido a fração inorgânica do TSS; 8

9 As melhores relações entre dados de reflectância (laboratório ou orbital) e TSS (ou turbidez) têm sido encontradas na transição entre os intervalos do vermelho e infravermelho próximo, mas resultados divergentes são normalmente publicados na literatura; TSS (mg/l) R(%) Wavelength (nm) Em relação ao fitoplâncton, quando a concentração de clorofila aumenta, existe um decréscimo na reflectância do azul e do vermelho, mas um aumento na resposta espectral do verde; Os dados de sensoriamento remoto podem ser usados para estimar a concentração de clorofila como um dado de entrada para modelos de produtividade primária, e para estudar eutroficação em corpos d água Outra aplicação é o monitoramento de algas em reservatórios; 9

10 Substâncias amarelas (matéria orgânica dissolvida) produzem variações espectrais nos corpos d água; De acordo com Whitlock (1986), para uma concentração constante de TSS, um aumento no conteúdo de DOC produz uma diminuição na reflectância do visível, mas nenhuma modificação em torno de 740 nm; 06 mg/l Same TSS different DOC 26 mg/l R (%) 98 mg/l Wavelength (nm) 10

11 Altas concentrações de substâncias amarelas afetam a precisão das estimativas de clorofila em alguns ambientes aquáticos; MUITO IMPORTANTE: Existe uma complexa interrelação espectral entre os componentes da água, o que pode complicar a estimativa da composição da água a partir de dados de sensoriamento remoto; O PANTANAL BRASILEIRO: UM EXEMPLO DE APLICAÇÃO Objetivo : Estudar a reflectância espectral de lagoas de água doce e salgada, e as implicações para estimativa remota de seus constituintes de dados multiespectrais (ETM+/Landsat 7) e hiperespectrais (AVIRIS); 11

12 N 0 2 km AVIRIS True Color Composite 5000 Lagoas Condutividade Elétrica ( µ S/cm) Salina 3 Salina 5 Salina 6 Salina 7 Salina 8 Baía 1 Baía 2 Baías 4, 9 a ph 12

13 Salinas Baías FRB FRB Comprimento de Onda (nm) (a) Comprimento de Onda (nm) (b) FRB Baías Comprimento de Onda (nm) (c) COD (mg/l) 0,00 0,55 0,55 0,75 0,75 1,10 Profundidade de Banda (630 nm) < 0,05 0,05 0,07 0,07 0,12 Unmixing Image - Fraction of Water - DOC Estimate plotted over the Post-Classified Water Fraction Image 630 nm Absorption Band Depth plotted over the Post-Classified Water Fraction Image 13