mapeamento de atributos de solos tropicais

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1 Universidade de São Paulo (USP) Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (ESALQ) Departamento de Ciência do Solo (LSO) I Workshop do Projeto AGSPEC Espectroscopia de reflectância aplicada ao mapeamento de atributos de solos tropicais Palestrante: Fabrício da Silva Terra Contato: fsterra@esalq.usp.br ou terra.fabricio@gmail.com

2 Introdução: Problema detectado. O que fazer? De acordo com o IBGE (2006) o Brasil tem... - Área Territorial (AT): km 2 - Área agricultável (incluindo agricultura e pecuária): km 2 (33,50 % de AT) Visão geral sobre a situação do mapeamento de solo no Brasil: - Nível Exploratório e Esquemático (de 1: a 1: ) 75,6 % da AT - Nível de Reconhecimento (de 1: a 1: ) 17,1 % da AT - Nível Semi-detalhado e detalhado ( 1: e 1:20.000) apenas 0,25 % da AT

3 Introdução: Problema detectado. O que fazer? - Considerando a expansão (principalmente em direção às regiões Norte e Centro-oeste) e intensificação da agricultura com crescente preocupação ambiental... - Existe a necessidade de monitoramento dos recursos naturais, em particular: SOLO (elemento fundamental para prática agrícola apropriada). Porém... - Para conhecer a variabilidade dos solos e atributos precisa-se de mapas de solos com escalas adequadas aos propósitos.... em outras palavras: Precisa-se expandir aqueles 0,25 % (mapas semi e detalhados) Para obter isso são necessários... - muitos trabalhos de campo, levantamentos, amostragens e análises de solo. Ex: 1 milhão de análise de solos (estimativa) Quanto tempo será levado para isso? Quanto resíduo será produzido?

4 Introdução: Problema detectado. O que fazer? - Neste sentido... O sensoriamento (próximo: espectroscopia de reflectância ou remoto: espectroscopia de imageamento) mostra-se como uma eficiente alternativa na avaliação dos solos e seus atributos.... mas por quê? Informações à respeito da constituição do solo (atributos intrínsecos) podem ser obtidas pela REM refletida sem o preparo prévio das amostras e sem a utilização de reagentes para isso. - Além disso... é uma análise que não produz resíduo, é rápida e mais barata que as análises convencionais e pode ser empregada em avaliações de grandes áreas (larga escala: maior densidade amostral).

5 Sensoriamento do Solo: - Remoto: espectroscopia de reflectância (laboratório ou campo) - Próximo: espectroscopia de imageamento (aéreo ou orbital) Diferentes níveis de aquisição: Sensor orbital Sensor aerotransportado Sensor terrestre (automatizado) A) Sensor em laboratório Sensor terrestre (manual) A) B) B) C) D)

6 Comportamento espectral dos solos - Espectroscopia: Obtenção de informações baseada na transmissão, absorção ou reflexão de energia incidente; - Interação (complexa e cumulativa): REM x amostra trocas de energia (composição do corpo e λ) - Comportamento espectral: Registro e representação gráfica da REM em λ

7 Interação REM vs. solo 2 níveis de interações Macroscópica Intensidade de reflectância (albedo) - Relacionada às características físicas e texturais do solo: granulometria, forma, tamanho, estrutura, esferecidade e compactação dos grãos; - Envolve efeitos de refração, difração e espalhamento; - Diminuição das partículas (= mineral) é acompanhada pelo aumento no albedo; - Espaço poroso para a dispersão da energia; Microscópica Feições de absorção - 10 a 50 µm de espessura; - Suficiente para a interação entre REM com os átomos e moléculas; - diretamente relacionada à constituição do material;

8 Interação Microscópica: importante para a espectroscopia de reflectância Responsáveis pelas feições de absorção da REM (picos negativos no espectro) Cujas características dependem: - tipo de estrutura atômica/molecular interna dos constituintes (átomos); - tamanho dos raios iônicos; - forças de ligação entre átomos e moléculas; - impurezas iônicas contidas no material (elementos adsorvidos); Composição química e mineralógica Onde ocorrem: Grupos Funcionais Grupos funcionais -COOH -OH fenólico -OH alcoólico -NH 2 Fe]-OH Al]-OH Si]-OH Al]-OH Localização M.O M.O M.O M.O Óxidos de ferro Óxidos de alumínio Silanol (argilominerais) Aluminol (argilominerais)

9 Revisão: Interação REM vs. solo Em síntese... na IM, a REM será absorvida (e originar a feição) somente se houver energia suficiente para proporcionar transições e/ou movimentos vibracionais de um átomo e/ou molécula, respectivamente. Níveis de IM Nível atômico ou eletrônico Mudança no nível energético dos elétrons, acoplados aos íons, que compõem a estrutura dos elementos; Nível molecular Movimentos vibracionais que ocorrem entre as ligações que unem os átomos; Ex.: Argilominerais, óxido de Al, matéria orgânica Vibracionais de estiramento (+ energia) Vibracionais deformacionais (- energia) Goethita assimétrico simétrico tesoura abano abano assimétrico Torção α-feooh

10 Revisão: Interação REM vs. solo Vibração fundamental: feição em 2750 nm Vibração fundamental: feição em 2900 nm Combintaiontone: nova feição em 1400 nm 2500 a nm 400 a 700 nm 700 a 2500 nm 2500 a nm 4000 a 400 cm -1

11 Como e onde analisar? Vis-NIR (350 to 2500 nm): solo < 2 mm - Equipamento: FieldSpec Pro - Aquisição: resolução de 1 nm média de 100 leituras - Calibração: referência branca (sulfato de bário) a cada 20 amostras Mid-IR (2500 to nm or 4000 to 400 cm -1 ): solo < 200 µm (± 80 mesh) - Equipamento: Thermo Nicolet 6700 FTIR - Acessório: Smart Diffuse Reflectance - Aquisição: resolução de 1,2 nm média de 64 leituras/min - Calibração: placa difusa de ouro a cada 1 amostra

12 Banco de dados (solos): Laboratório de S.R (LSO/ESALQ/USP) amostras de 458 perfis (classificação e morfologia) GO: 76 amostras MG: 296 amostras MS: 307 amostras SP: 609 amostras

13 Espectroscopia de Reflectância nas avaliações do solo Qualitativa - Identificação das feições de absorção diagnósticos; - Descrição e caracterização do comportamento espectral das principais classes de solo; (textura, mineralogia predominante, M.O, grau de intemperismo,...) - Avaliação do comportamento espectral dos solos ao longo de topossequências; Semi-quantitativa - Aplicação de análises estatísticas multivariadas ou algoritmos matemáticos na caracterização dos espectros; - Correlação multivariada: localização e influência dos atributos do solo no comportamento espectral; - ACP: reduzir dimensionalidade dos dados espectrais, visualizar estruturas e padrões de distribuição (agrupamentos de amostras e perfis); Quantitativa (bibliotecas espectrais) - Dados de reflectância integrados à modelos de regressão multivariada: quantificação e predição de atributos;

14 Avaliações qualitativas do solo Feições de absorção: 480 (g), 530 (h), 650 (g), 850 (h), 900 (g) e 940 (g) nm: - Óxidos e hidróxidos de Fe (hematita and goethita) 1414 nm: - Argilominerais (1:1 / 2:1) (caulinita, montmorilonita, ilita) - Hidroxila (moléculas de água) 1917 nm: - Hidroxila (moléculas de água) 2205 nm: - Argilominerais (1:1 / 2:1) (caulinita, montmorilonita, ilita) 2251 nm: - Hidróxido de Al (gibsita) 2314 nm: - Carbonatos e compostos orgânicos (methyl) 2355 and 2448 nm: Argilomineral 2:1 (ilita) 2382 nm: Carboidratos 3605 to 3394 cm -1 : - Argilominerais (1:1 / 2:1) (caulinita, montmorilonita, ilita) - Hidróxido de Al (gibsita) 2233 to 1975 cm -1 : Compostos orgânicos (grupos alquinos) Quartzo 1867 to 1362 cm -1 : - Quartzo - Argilominerais (1:1 / 2:1) (caulinita, montmorilonita, ilita, vermiculita) - Óxidos e hidróxidos de Fe (hematita and goethita) - Compostos orgânicos (amidos, aromáticos, alifáticos, fenólicos) 1157 to 926 cm -1 : - Compostos orgânicos (alifáticos, polisacarídeos) - Quartzo - Óxido de Fe (hematita) - Hidróxido de Al (gibsita) - Argilominerais (1:1 / 2:1) 814 to 436 cm -1 : - Quartzo - Óxidos e hidróxidos de Fe (hematita and goethita) - Hidróxido de Al (gibsita)

15 Avaliações qualitativas: Comportamento espectral / Classes de solo RQo típico (12 %) Hz semelhantes Predomínio do quartzo Efeito da MO no Ap Variação granulométrica (% de argila) = Variação na intensidade de reflectância LVAd típico (37 %) PVAvd típico (24 %) Hz semelhantes Algum efeito do quartzo Hz diagnóstico Bt Variação na mineralogia = Variação nas absorções (fração argila) (intensidade, formato e ocorrência) LVef típico (71 %) Hz semelhantes Nenhum efeito do quartzo - Transformações mineralógicas diagnosticas no mesma local alteram o formato da feição. Ex.: 2:1 em 1:1 em gibsita

16 Avaliações qualitativas do solo: Comportamento espectral - Topossequência

17 Avaliações qualitativas do solo: Comportamento espectral - Identificação e mapeamento de minerais Sensor Hymap Nível: orbital Nº de bandas: 126 (425 a 2500 nm) Cudahy, 2008 Ben-Dor et al., 2008

18 Avaliações qualitativas do solo: Comportamento espectral - Identificação e mapeamento de minerais Sensor AVIRIS Nível: aerotranspostado Nº de bandas: 224 (400 a 2500 nm) Galvão et al., 2008

19 Avaliações semi-quantitativas do solo Correlações multivariadas

20 Avaliações semi-quantitativas do solo Correlações multivariadas

21 Avaliações semi-quantitativas do solo: ACP e k-médias Argila Variação dos óxidos e minerais 2:1 e 1:1 CO H+Al ph H 2 O Índice ki CTC Ativ. Arg. Índice kr G1 G2 G3 G4 G1 G2 G3 G4 G1 G2 G3 G4

22 Avaliações semi-quantitativas do solo: ACP e k-médias Argila Variação do óxido Al e minerais 2:1 e 1:1 (exceto Fe) CO H+Al ph H 2 O Índice ki CTC Ativ. Arg. Índice kr G1 G2 G3 G4 G5 G1 G2 G3 G4 G5 G1 G2 G3 G4 G5

23 Avaliações semi-quantitativas do solo: ACP e distância taxonômica Agrupamento de perfis (métrica pedológica) Atributos do solo (levant. e classif.) Escores ACP: Vis/NIR/SWIR Escores ACP: MIR/TIR/FIR

24 Avaliações quantitativas: (Predição / Calibração) Alguns modelos de regressão multivariados: - Mínimos quadrados parciais - Regressão por componentes principais - Árvores de regressão - Máquina d vetor suporte VisNIR / Nº de informações espectrais: 2151 Atributo DP 1 o Quartil 3 o Quartil Espectro Algoritmo R 2 RMSE RPD RPIQ Areia Ref/CM SVM (Linear) Silte Abs/CM SVM (Linear) Argila Abs SVM (Linear) MO Abs SVM (Linear) CO Abs SVM (Linear) P Ref/CR SVM (Radial) K Ref/CR SVM (Radial) Ca Ref/CR SVM (Radial) Mg Ref/CR SVM (Radial) Al Abs SVM (Linear) H+Al Abs SVM (Linear) SB Ref/CR SVM (Radial) CTC Ref/CM SVM (Linear) V% Abs/CM SVM (Linear) m% Abs SVM (Linear) Ativ. Arg Abs/CM SVM (Linear) ph H 2 O Ref SVM (Linear) ph KCl Abs/CM SVM (Linear) ph CaCl Abs/CM BT SiO Abs SVM (Linear) Al 2 O Abs/CM PLSR Fe 2 O Abs/CM BT Ki Ref/CR/CM BT Kr Ref/CR/CM SVM (Linear) TiO Ref/CR/CM SVM (Linear) MnO Ref/CR/CM BT Cu Ref/CR/CM BT Fe Abs BT Zn Abs SVM (Linear) Mn Ref/CR SVM (Linear) B Abs/CM BT Mid-IR / Nº de informações espectrais: 934 Atributo DP 1 o Quartil 3 o Quartil Espectro Algoritmo R 2 RMSE RPD RPIQ Areia Abs/CM SVM (Radial) Silte Ref SVM (Radial) Argila Abs SVM (Radial) MO Ref SVM (Linear) CO Ref SVM (Linear) P Ref SVM (Linear) K Ref/CM SVM (Radial) Ca Ref SVM (Linear) Mg Abs/BLC SVM (Radial) Al Ref/CM SVM (Linear) H+Al Ref/CM SVM (Linear) SB Ref SVM (Linear) CTC Ref SVM (Linear) V% Ref/CM SVM (Linear) m% Abs/BLC/CM SVM (Radial) Ativ. Arg Ref SVM (Linear) ph H 2 O Abs/BLC SVM (Radial) ph KCl Ref/CM SVM (Linear) ph CaCl Ref/CM SVM (Linear) SiO Abs/BLC/CM SVM (Radial) Al 2 O Abs/BLC/CM BT Fe 2 O Ref/CM SVM (Radial) Ki Abs/CM PLSR Kr Abs/BLC BT TiO Ref SVM (Radial) MnO Abs/BLC/CM SVM (Radial) Cu Ref SVM (Radial) Fe Abs/CM SVM (Radial) Zn Ref SVM (Radial) Mn Ref SVM (Linear) B Ref SVM (Radial) RPD > 2,00: modelos excelentes 1,40 > RPD> 2: modelos razoáveis RPD < 1,40: modelos não confiáveis

25 Avaliações quantitativas: (Predição / Teste) RPD > 2,00: modelos excelentes 1,40 > RPD > 2: modelos razoáveis RPD < 1,40: modelos não confiáveis VisNIR / Nº de amostras: 393 / Nº de informações espectrais: 2151 Atributo DP 1 o Quartil 3 o Quartil Espectro Algoritmo R 2 RMSE RPD RPIQ Nível Areia Ref/CM SVM (Linear) M Silte Abs/CM SVM (Linear) M Argila Abs SVM (Linear) M MO Abs SVM (Linear) M CO Abs SVM (Linear) M P Ref/CR SVM (Radial) M K Ref/CR SVM (Radial) M Ca Ref/CR SVM (Radial) M Mg Ref/CR SVM (Radial) M Al Abs SVM (Linear) M H+Al Abs SVM (Linear) M SB Ref/CR SVM (Radial) M CTC Ref/CM SVM (Linear) M V% Abs/CM SVM (Linear) M m% Abs SVM (Linear) M Ativ. Arg Abs/CM SVM (Linear) M ph H 2 O Ref SVM (Linear) M ph KCl Abs/CM SVM (Linear) M ph CaCl Abs/CM BT M SiO Abs SVM (Linear) C Al 2 O Abs/CM PLSR M Fe 2 O Abs/CM BT M Ki Ref/CR/CM BT M Kr Ref/CR/CM SVM (Linear) M TiO Ref/CR/CM SVM (Linear) C MnO Ref/CR/CM BT M Cu Ref/CR/CM BT M Fe Abs BT M Zn Abs SVM (Linear) M Mn Ref/CR SVM (Linear) C B Abs/CM BT M Mid-IR / Nº de amostras: 385 / Nº de informações espectrais: 934 Atributo DP 1 o Quartil 3 o Quartil Espectro Algoritmo R 2 RMSE RPD RPIQ Nível Areia Abs/CM SVM (Radial) M Silte Ref SVM (Radial) M Argila Abs SVM (Radial) M MO Ref SVM (Linear) C CO Ref SVM (Linear) M P Ref SVM (Linear) M K Ref/CM SVM (Radial) M Ca Ref SVM (Linear) M Mg Abs/BLC SVM (Radial) M Al Ref/CM SVM (Linear) M H+Al Ref/CM SVM (Linear) M SB Ref SVM (Linear) M CTC Ref SVM (Linear) M V% Ref/CM SVM (Linear) S m% Abs/BLC/CM SVM (Radial) M Ativ. Arg Ref SVM (Linear) M ph H 2 O Abs/BLC SVM (Radial) M ph KCl Ref/CM SVM (Linear) M ph CaCl Ref/CM SVM (Linear) M SiO Abs/BLC/CM SVM (Radial) M Al 2 O Abs/BLC/CM BT M Fe 2 O Ref/CM SVM (Radial) C Ki Abs/CM PLSR M Kr Abs/BLC BT M TiO Ref SVM (Radial) M MnO Abs/BLC/CM SVM (Radial) M Cu Ref SVM (Radial) M Fe Abs/CM SVM (Radial) M Zn Ref SVM (Radial) M Mn Ref SVM (Linear) M B Ref SVM (Radial) M

26 Avaliações quantitativas: (Predição / Teste) - VisNIR Nenhuma tendência observada, exceto pelo padrão verficado

27 Avaliações quantitativas: (Predição / Teste) - Mid-IR Nenhuma tendência observada, exceto pelo padrão verificado

28 Vantagens da espectroscopia de reflectância no sensoriamento do solo -Dispensa o preparo específico de amostras; -Tecnologia LIMPA: -Não necessita do uso de reagentes; -Não gera resíduos (produzidos pelos laboratório que podem contaminar o meio ambiente se não forem corretamente descartados; -Técnica muito mais rápida e barata; Além da... -Eficiência na caracterização do solo (como amostra e perfil) -Possibilidade de identificação dos atributos em tempo real e em uma escala muito maior quando compara às técnicas convencionais; -Espectroscopia de relfectância: base para espectroscopia de imageamento (mediante à correção atmosférica) -Disponibilidade on line das informações espectrais.

29 Desvantagens da espectroscopia de reflectância no sensoriamento do solo -Necessidade de grandes bases de dados (bibliotecas espectrais); (base de dados com variância de informações) -Falta de um padrão para aquisição de dados (geometria de aquisição); -Constante evolução dos algoritmos de predição; (inexistência de um modelo universal) -Dados à campo, aéreos ou orbitais: umidade do solo, cobertura vegetal sobre o solo, condições climáticas (nebulosiade, irradiação solar, ); -Especial para o Mid-IR: umidade e absorção atmosférica; Fato que impossibilita a aplicação desta faixa espectral a campo e em plataformas aerotransportadas e orbitais

30 Fonte: NASA Obrigado pela atenção de todos Contato: