Eng. Ambiental Geoprocessamento

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1 Eng. Ambiental Geoprocessamento Índices de vegetação Profa. Ligia Fonte: PONZONI; SHIMABUKURO (2007)

2 Comportamento espectral da vegetação Estrutural: Epiderme, cutícula Mesófilo: onde encontram-se os pigamentos fotossintetizantes Espaços intracelulares Química: RFA (visível) Absorção por pigmentos fotossintetizantes Folha: meio por qual a REM trafega

3 cutícula Epiderme superior cloroplastos Mesófilo paliçádico Mesófilo esponjoso Epiderme inferior

4 Seção transversal de uma folha Possíveis trajetórias da REM incidente Reflexão Transmissão Absorção

5 Influência do conteúdo de umidade sobre o fator de reflectância de uma folha de milho 100%

6 Introdução Índices de vegetação são um tipo de transformação radiométrica que gera uma nova imagem Nova imagem: alternativa para apresentação da informação de maneira diferente 6

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8 Exercício: Comportamento espectral 1) Dada a tabela abaixo, fazer o gráfico de vermelho (eixo x) por IVP (eixo y) 2) Calcular razão simples e NDVI Alvo IVP vermelho Água Solo Vegetação

9 Índices de vegetação Baixa reflectância das folhas no visível: absorção da radiação pela ação dos pigmentos fotossintetizantes Alta reflectância no infravermelho próximo (IVP): espalhamento (reflectância e transmitância) no interior das folhas em função da estrutura celular 9

10 Vegetação Reflectância depende de sua composição química e sua estrutura interna Dosséis: reflectância depende da quantidade de folhas e arquitetura do dossel Forma da curva espectral do dossel assemelha-se com a de folhas isoladas Índices de vegetação: objetivo de explorar as propriedades espectrais da vegetação 10

11 Índices de vegetação Estão relacionados a parâmetros biofísicos da cobertura vegetal, como biomassa e índice de área foliar Minimizam efeitos de iluminação da cena, declividade da superfície e geometria de aquisição Fundamentação: comportamento espectral antagônico da vegetação no visível e no IVP 11

12 reflectância no IVP Vegetação reflectância no vermelho 12

13 Vegetação Nos vértices do triângulo do slide anterior, serão encontrados os pixels com as proporções mais puras de um determinado elemento da cena Premissa: divisão algébrica de IVP por visível: valores numéricos proporcionais às diferenças de reflectância em cada um dos eixos desse espaço bidimensional 13

14 Irradiância: E0 Irradiância direta: Eb Irradiância difusa: Ed Ls: radiância do objeto Lp: radiância decorrente da trajetória m: espalhamento da atmosfera a: contribuição dos vizinhos 14

15 Variáveis radiométricas São propriedades básicas da luz Medidas por instrumentos ópticos passivos Utilizam a luz do sol como fonte As quantidades radiométricas mais comuns são: energia radiante, fluxo radiante, irradiância e radiância. 15

16 Energia radiante e Fluxo radiante A energia radiante, Q, em joules, indica a energia que está propagando ou emergindo de uma certa superfície em uma dada área e em um determinado período de tempo A taxa de energia radiante por unidade de tempo, é o fluxo radiante Φ (phi), dado por: em que dq é a quantidade de energia radiante e dt uma unidade de tempo 16

17 Intensidade radiante O fluxo radiante Φ por unidade de ângulo sólido, em uma direção específica, é a intensidade radiante I Ângulo sólido: representa o ângulo cônico subentendido por uma porção da esfera É definido como a razão entre a área A e o quadrado do raio da esfera R O esferorradiano é a unidade de medida que expressa a dimensão do ângulo sólido 17

18 Ângulo sólido Como a área de uma esfera é 4 r 2 pode-se concluir que em uma esfera há 4 esferorradianos de ângulo sólido 18

19 Radiância O fluxo radiante Φ por unidade de ângulo sólido, por unidade de área, em uma faixa espectral, de um plano perpendicular ao fluxo tem-se a radiância Unidade: (J s m sr nm ) 19

20 Radiância Fótons entram com ângulo α, e atingem difusor de área ΔA; O difusor homogeniza campo de luz; Basta uma amostra para medir a energia total entrando Filtro seleciona faixa espectral 20

21 Radiância Definição operacional de radiância espectral Fluxo radiante por unidade de ângulo sólido por unidade de área perpendicular a direção do fluxo (J s m sr nm ) A radiância (L) espectral é a quantidade radiométrica de interesse fundamental da óptica hidrológica. Ela especifica a estrutura espacial, x temporal (t), direcional ξ (ksi) e espectral (λ) do campo de luz 21

22 Irradiância Todas as outras variáveis podem ser derivadas de L. Se o tubo coletor for removido, os fótons do hemisfério inteiro podem atingir o detector Nesta situação detecta-se os fótons descendentes, medindo a irradiância espectral descendente no plano (Ed). 22

23 Irradiância Descendente Se o instrumento estiver orientado para baixo: Irradiância ascendente 23

24 Transformação de ND (número digital) Para geração de imagens de índice de vegetação: transformar ND para valores de radiância ou reflectância Nds não estão em uma mesma escala radiométrica nas diferentes bandas Razão estaria sendo feita com dados que representariam grandezas diferentes Importância da correção atmosférica 24

25 Tranformação de NDs Transformação para valores físicos Cada sensor, em cada banda, tem um critério próprio para discretizar os valores de radiância medidos na escala de sua resolução radiométrica (8 bits, 16 bits, etc.) Imagens resultantes, mesmo para um mesmo sensor, em diferentes bandas, não apresentam compatibilidade entre os Nds 25

26 Conversão para valores físicos Outra maneira de se calcular: 27

27 Valores Landsat TM Banda LMAX LMIN TM1 15,21-0,15 TM 2 29,69-0,28 TM 3 20,43-0,12 TM 4 20,63-0,15 TM 5 2,719-0,037 TM 7 1,438-0,015 28

28 Conversão para valores físicos Contudo, radiância é um parâmetro radiométrico dependente da intensidade da radiação da fonte, não sendo o mais apropriado para avaliar propriedades espectrais dos objetos Reflectância é mais indicada 29

29 Reflectância Depende de Características físico-químicas do alvo Geometria de iluminação (posição do Sol) Geometria de visada (posição do sensor) Posicionamento topográfico Interferência do meio de propagação (atmosfera) Características do sensor Incorpora resposta de alvos vizinhos 30

30 Cálculo da reflectância ρa = onde: ρa = reflectância aparente d = distância Sol-Terra em unidades astronômicas unidade de ângulo sólido L(λ) = radiância aparente (mw cm -2 sr-1 μm-1) θ = ângulo solar zenital Esun = Irradiância solar em uma faixa de λ 31

31 Valores de Esun (Irradiância solar) 32

32 Conversão da banda 6 para temperatura 33

33 Reflectância Landsat

34 Índices de vegetação Com as bandas do vermelho e do IVP Por que vermelho e não outra do visível? Menor influência dos efeitos da atmosfera e da absorção da REM pela clorofila nessa faixa espectral Quanto menores forem os comprimentos de onda, maior será a interferência da atmosfera 35

35 Razão simples (JORDAN, 1969) RS = ρivp / ρv Divisão de reflectância no IVP e reflectância no vermelho 36

36 Razão simples 37

37 Razão simples (1) valores radiométricos devem aumentar com o aumento da vegetação infravermelho próximo (2) valores radiométricos decrescem com o aumento da vegetação vermelho O parâmetro ou índice calculado pixel a pixel (razão IVP/V) é altamente sensível à vegetação 38

38 Razão simples Fonte: GALO (2007) 39

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41 Índice de Vegetação de Diferença Normalizada (Rouse et al, 1973) Normalized Difference Vegetation Index NDVI Normalização da razão simples para o intervalo de -1 a 1 Ideal: transformação anterior para reflectância 42

42 Exemplos de Valores de Reflectância e NDVI* Cobertura IV próximo vermelho NDVI Água Solo Vegetação densa Vegetação agrícola * Sem correção atmosférica 43

43 NDVI (GALO, 2007) Aplicações criteriosas pressupõem a transformação dos Nds em grandezas que tenham significado físico (radiância ou reflectância) NDs lidos diretamente de uma imagem podem incorporar uma variedade de influências decorrentes de fatores atmosféricos, ambientais e de interferências do próprio sistema de aquisição de dados. 44

44 recémplantado mais úmido NDVI maior biomassa 45 Fonte:

45 NDVI Fonte: GALO (2007) 46

46 Outros índices espectrais Para o sensor TM, Chuvieco (1990) cita alguns índices desenvolvidos para destacar as propriedades do solo: Índice simples de argila: TM5/TM7 Índice simples de ferro: TM5/TM4 Índice simples de hidroxila de ferro: TM5/TM3 Índice simples de óxido de ferro: TM3/TM1 47

47 Outros índices espectrais Queimadas: Normalized Burn Ratio NBR = (R4 - R7) / (R4 + R7); dnbr = NBRprefire NBRpostfire 48

48 Outros índices espectrais Índice de Área construída (Normalized Difference Built-up Index) NDBI = (IVM IVP) / (IVM+IVP) 49

49 Referências Jensen (cap. 11) RUDORFF, Bernardo F. T; SHIMABUKURO, Yosio Edemir; CEBALLOS, Juan C. (Org.). O sensor modis e suas aplicações ambientais no Brasil. São José dos Campos, SP: Parêntese, Cap. 12 p

50 Referência para as equações de Reflectância e Temperatura