Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE

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1 Espectroradiometria foliar de árvores frutíferas e o efeito da umidade sobre a resposta espectral das folhas Mariana Madruga de Brito 1 André Farias 2 1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS Caixa Postal Porto Alegre - RS, Brasil marii.britoo@hotmail.com 2 Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária - EMBRAPA Caixa Postal Bento Gonçalves - RS, Brasil afarias@cnpuv.embrapa.br Abstract. The estimative of plant water content may provide valuable information to environmental and irrigation system managers to relieve dehydration symptoms and prevent permanent growth and production damage. Furthermore, the identification of the moisture content is an essential factor for a better understanding of vegetation dynamics. Thus, this work has for objective to evaluate the differences among reflectance of leaves of three different species of fruit trees (Musa spp., Prunus spp. and Citrus spp.) with different conditions of moisture. Mature leaves of these species were subjected to the spectroradiometer FieldSpec 3 Hi-Res ( nm) for spectral analysis. The NDWI (Normalized Difference Water Index), MSI (Moisture Stress Index) and NDII (Normalized Difference Infrared Index) indices were calculated and analyzed to determine the best method of nondestructively estimating plant water content. The analysis allowed the identification of the spectral behavior of the species and showed that the radiometric measurements are effective tools in the characterization of each plant structure. However, no significant changes were observed on the estimation of the moisture loss on the spectral response of the plants. This may have occurred because of the conditions stipulated for the experiment. Further investigations are being conducted to improve this technique. Palavras-chave: spectroradiometry, spectral índices, water content, espectrorradiometria, índices espectrais, conteúdo de água. 1. Introdução A compreensão da interação entre a radiação eletromagnética e as estruturas componentes da vegetação tem sido um dos objetivos recorrentes dos estudos de sensoriamento remoto. Dada à complexidade das estruturas vegetais e das formas específicas de resposta espectral, a determinação do comportamento espectral padrão de diferentes espécies frente a condições ambientais diversas torna-se fundamental para subsidiar estudos que correlacionem esse dado com outras variáveis chave como, por exemplo, condições fitossanitárias e nutricionais. Assim, a interpretação baseada na resposta espectral de um determinado alvo relacionada com outros elementos de caracterização torna possível a inferência de uma série de sentenças sobre a condição geral da planta e, mais do que isso, permite o apoio ao processo de tomada de decisão da prática de manejo mais adequada à realidade representada. Um dos parâmetros fundamentais que influenciam diretamente no comportamento espectral da planta, seja a análise direcionada ao nível do dossel ou da folha isolada, trata-se da presença ou não de água no escopo da estrutura vegetal e da quantificação desta em relação aos demais constituintes da planta. Na vegetação, a água controla os processos biogeoquímicos como evaporação e fotossíntese, condicionando a intensidade desses mecanismos por meio de sua maior ou menor disponibilidade (Clever & Kooistra, 2006). Além disso, a variação do teor de umidade das plantas é parâmetro essencial para estimar o grau de suscetibilidade ao estresse hídrico da vegetação e para uma gestão mais adequada dos recursos para a irrigação (Pyne et al., 1996). Considerando a relevância das condições hídricas na estrutura vegetal, a geração de dados que quantifiquem e qualifiquem a presença de água na folha e no dossel das plantas é de 3245

2 extrema importância e tem sido realizada, entre outras formas, através da espectroradiometria. Esta última, por sua vez, é resultado dos recentes avanços tecnológicos e metodológicos que ampliaram a acurácia da análise da vegetação através do sensoriamento remoto. A técnica consiste em medir a resposta espectral através do contato direto com o alvo, representando a diminuição de interferências dos fatores ambientais presentes nas leituras de outros sensores (Demarez & Gastellu-Etchegorry, 2000). Como resultado, apresenta o delineamento da resposta do alvo em relação à radiação incidente ao longo do espectro eletromagnético. A partir da obtenção da curva de comportamento espectral do alvo, torna-se possível estimar uma série de parâmetros situacionais sobre as condições gerais da variável analisada. Tendo em vista que cada comprimento de onda implica em uma resposta espectral diferenciada e que certos padrões em relação a alguns elementos físicos químicos são conhecidos (comportamento da vegetação, água, entre outros), a predição de alguns estados fisiológicos torna-se possível. A análise do comportamento espectral das folhas, que são os elementos da vegetação que mais contribuem para o sinal detectado por sensores (Collwell, 1974), é influenciada principalmente por sua morfologia interna (distribuição, quantidade de tecidos e espaços intercelulares), teor de água, tipo e quantidade de pigmentos fotossintetizantes (Kumar, 1974). Entre as formas possíveis de análise das curvas espectrais dos alvos, a escolha de índices de referência são um dos instrumentos que oferecem maior representatividade para estimar os parâmetros desejados. Estes índices representam, em sua maior parte, a razão do comportamento espectral do alvo em intervalos de comprimento de onda distintos, com o intuito de realçar o patamar de alguma condição fisiológica do vegetal. Entre os índices de estimativa de umidade existentes destaca-se o Índice de Água com Diferença Normalizada (Normalized Difference Water Index - NDWI), desenvolvido por Gao (1996). O NDWI fundamenta-se nas variações que ocorrem no comportamento espectral das folhas em comprimentos de ondas em que o teor de água exerce influência direta na resposta espectral. As variações no conteúdo de água das plantas são visualizadas principalmente no infravermelho médio (1.100 nm a nm), onde a reflectância da vegetação é condicionada pelas bandas de absorção da água. Ocorrem picos nas bandas nm, nm e nm, e na medida em que o valor do teor de água decresce, aumenta marcadamente a reflectância no infravermelho médio (Fontana, 1995). Outro índice utilizado para estimar a relação entre o comportamento espectral da planta e a quantidade de água em seu interior denomina-se Índice de Estresse Hídrico (Moisture Stress Index - MSI). Esse parâmetro é sensível ao aumento do conteúdo de água foliar e está baseado na razão entre a resposta espectral no intervalo de comprimento de onda de nm, onde há acréscimo da absorção, e a resposta no comprimento de onda de 819 nm, onde a absorção não é condicionada pela alteração do conteúdo de água, servindo, portanto, como referência (Hunt Jr. & Rock, 1989). Nesse caso, valores mais altos de MSI indicam um maior estresse hídrico da planta. Um terceiro parâmetro que pode subsidiar a influência do teor de água na resposta espectral é o Índice Infravermelho de Diferença Normalizada (Normalized Difference Infrared Index - NDII). Trata-se da formulação da diferença normalizada em contraposição a uma razão simples, com análise sobre dois comprimentos de onda específicos: 819 nm e 1649 nm. Para esse índice, valores mais altos indicam um maior teor de água na planta. Diante do exposto, este artigo teve por objetivo identificar, através da utilização de medidas radiométricas, a perda de umidade entre folhas sadias de diferentes espécies frutíferas (bananeira, ameixeira e limoeiro), tendo como ferramentas de análise o delineamento das curvas espectrais dos alvos em diferentes estágios temporais bem como o cálculo de índices vegetativos selecionados. 3246

3 2. Espectroradiometria aplicada à estimativa da umidade de plantas Entre as distintas formas de caracterização do teor de água na estrutura vegetal e de como esse fator influencia diretamente nos mecanismos de funcionamento da planta, estudos empíricos de espectroradiometria que demonstram o processo de perda da umidade face à estágios temporais pré-determinados tem sido utilizados com eficácia. Nesses experimentos, há a extração de folhas de espécies em investigação e medições subsequentes em tempos prédeterminados para avaliação da influência que a diminuição do teor de água, bem como da atividade fotossintética, exercem sobre a resposta espectral do vegetal. A concepção teórica associada a estes experimentos está relacionada ao fato de que, ao retirar a folha da espécie vegetal, há o início inevitável do processo de senescência, caracterizado pela alteração do metabolismo da estrutura vegetal, e consequentemente, de suas propriedades espectrais (Souza et al., 2009). Nesse estágio, há a degradação dos constituintes celulares, perda de água e modificações na estrutura do mesófilo foliar (Sanches et al., 2003), que podem ser observados empiricamente na mudança de cor e na desidratação da folha, bem como observados na curva de comportamento espectral do alvo. Sob essa perspectiva, Sanches et al. (2003) estudaram a influência do tempo na reflectância e transmitância de um conjunto de 30 folhas de duas espécies arbóreas: Cassia sp (fedegoso) e Ligustrum sp. (ligustro). As medições radiométricas foram realizadas em três momentos distintos (M1 0 horas; M2 7 horas e M3 72 horas após a coleta) e as curvas espectrais comparadas através de delineamento estatístico. Os resultados apresentados demonstram alterações nas curvas espectrais dos alvos analisados. No entanto, tais alterações foram significativas apenas na medição M3, 72 horas após a extração das folhas, não sendo possível estabelecer em que período tal comportamento se mostrou de forma mais proeminente. Nessa mesma linha de análise, Souza et al. (1996) analisaram a influência do tempo e do tipo de armazenamento na reflectância espectral de folhas de Eucalyptus grandis ex-situ. As folhas foram divididas em dois grupos que foram armazenados de formas distintas: um grupo foi armazenado em condições ambientais e outro grupo condicionado em sacos plásticos translúcidos lacrados com a presença de algodões umedecidos. Foram feitas medições radiométricas em 7 momentos distintos após a coleta: 0, 3, 5, 6, 7, 8, 23 e 29 horas após extração. Os resultados apresentados demonstram que para as bandas 1 e 3 (regiões espectrais do azul e do vermelho, respectivamente), o tempo de armazenamento somente exerceu influência significativa sobre os FRH's das folhas após 23 horas da extração. Para a banda 2 (região espectral do verde), sua influência foi não-significativa até 29 horas após a extração e, finalmente, para a banda 4 (região espectral do infravermelho próximo), o tempo de armazenamento exerceu influência significativa a partir das três horas após a extração. Daughtry & Biehl (1984) analisaram mudanças nas propriedades espectrais de folhas extraídas de bétula (Betula nigra L.) e pinus (Pinus resinosa Ait.) sob distintas temperaturas de armazenamento (5º e 25º) e diferentes meios (água ou benzylaminopurine). Os resultados das medições radiométricas apresentados, da mesma forma que os citados anteriormente, demonstram que as alterações nas propriedades espectrais (reflectância, transmitância ou absortância) não ocorreram de forma significativa nos três dias subsequentes à extração das folhas. 3. Metodologia de Trabalho Para a realização do experimento foram coletadas 3 folhas das árvores frutíferas Bananeira (Musa spp.), Ameixeira (Prunus spp.) e Limoeiro (Citrus spp.). As medidas foram realizadas no dia 16 de agosto de 2012, sendo que foram executadas 9 medições ao total, conforme mostram os dados da Tabela 1. Foram escolhidas folhas totalmente desenvolvidas, e 3247

4 as primeiras medidas foram realizadas in situ e in vivo. Já as outras medidas foram feitas ex situ, com o intuito de verificar a perda de umidade das folhas após sua extração. Tabela 1. Horários das medições realizadas nas três espécies de árvores frutíferas Frutífera Horário Bananeira (Musa spp.) Ameixeira (Prunus spp.) Limoeiro (Citrus spp.) 11:40 11:42 11:44 12:25 12:28 12:30 14:16 14:18 14:20 A mensuração da reflectância espectral das folhas, para caracterização do comportamento espectral, foi realizada com um espectroradiômetro portátil FieldSpec 3 Hi-Res, da Analytical Spectral Devices Inc. O equipamento opera entre os comprimentos de onda de 350 a nm, com resolução espectral de 3 nm a 700 nm; 8.5 nm a nm e 6.5 a nm. As medidas foram realizadas com o auxílio do periférico Plant Probe, acoplado a um leaf clip, utilizando um método totalmente controlado, com incidência luminosa ortogonal e de mesma intensidade para todas as amostragens. Um microcomputador acoplado ao espectroradiômetro armazenou as medidas radiométricas à medida que foram sendo obtidas. Os dados originais foram convertidos para o formato texto através do software ASD ViewSpecPro, para posterior processamento no software Excel. A calibração do aparelho foi feita a partir de uma placa de referência que reflete 100% da energia incidente conhecida como Spectralon. A placa de referência foi mensurada uma vez para cada folha. Foram determinadas as reflectâncias médias para cada espécie, geradas pela média aritmética das cinco leituras realizadas em cada uma das folhas. A última etapa do estudo consistiu na determinação dos Índices de Vegetação descriminados na Tabela 2. Tabela 2. Índices de Vegetação utilizados neste estudo Índice Referência Equação Normalized Difference Water Index (NDWI) Gao, 1996 Moisture Stress Index (MSI) Normalized Difference Infrared Index (NDII) Hunt e Rock, 1989 Hunt e Rock, Resultados e Discussões De modo geral, a resposta espectral das folhas in vivo de Bananeira, Ameixeira e Limoeiro apresentaram um padrão de comportamento caracterizado pela baixa reflectância na região do azul (400 a 500 nm) e do vermelho (600 a 700 nm) e elevados picos de energia refletida na região do verde (500 a 600 nm), conforme pode ser visualizado na Figura 1. De acordo com Ponzoni (2001), o resultado da espectroradiometria foliar encontrado para estas espécies concorda com o comportamento espectral característico para o alvo vegetal e é justificado por suas propriedades ópticas. As espécies, quando comparadas entre si, apresentaram comportamento espectral que as diferenciam (Figura 1). Na região do visível, nas faixas compreendidas entre 500 e 600 nm, o 3248

5 limoeiro apresentou a menor absorção da radiação entre as espécies estudadas, bem como menor absorção pela água nos intervalos de comprimento de onda de e nm. A variedade de banana, diferentemente, apresentou níveis de reflectância significativamente maiores em relação às outras, especialmente na porção do infravermelho próximo (720 a nm), o que demostra empiricamente que a estrutura e o arranjo celular diferenciado de cada espécie condiciona uma resposta espectral singular para cada estrutura vegetal nesta porção do espectro eletromagnético. Por fim, a variedade de ameixa se destaca por apresentar uma alta absorção na região do visível (400 a 700 nm), sem o pico de reflectância elevado característico no comprimento de onda verde (500 a 600 nm), o que revela uma significativa influência dos pigmentos fotossintetizantes, em especial, clorofilas, carotenóides e antocianinas e que pode ser relacionado com outras variáveis de análise como, por exemplo, parâmetros fisiológicos, estado fenológicos, entre outros, para a compreensão da condição geral característica de cada variedade. Reflectância (%) 100% 80% 60% 40% 20% Média Ameixa 1 Média Banana 1 Média Limão 1 0% Comprimento de onda (nm) Figura 1. Comportamento espectral de espécies de frutíferas in situ e in vivo As respostas espectrais das três espécies em cada uma das condições propostas são mostradas nas Figuras 2, 3 e 4. A folha de ameixeira (Figura 2) apresentou o comportamento espectral esperado, uma vez que após cada medição as bandas de absorção foram menos intensas, indicando a perda de umidade da planta. Entretanto, as outras espécies (Figura 3 e 4) não apresentaram um comportamento específico. No que diz respeito especificamente à faixa de análise da perda de umidade, os resultados apresentaram variação discreta e especialmente concentrada nas porções do infravermelho próximo e infravermelho médio (exceto para o caso do limão que apresenta variância na região do verde). Tal comportamento está relacionado à característica intrínseca da água de ser um bom absorvedor da energia no infravermelho médio, de tal forma que quanto maior o teor da água nas folhas, menores as reflectâncias no infravermelho médio. Inversamente, à medida que o conteúdo de umidade das folhas diminui nos espaços de ar intercelular, a reflectância no infravermelho médio aumenta substancialmente, tendo em vista o maior nível de espalhamento da radiação incidente (Jensen, 2011). 3249

6 Reflectância (%) 80% 60% 40% 20% Média Ameixa 1 Média Ameixa 2 Média Ameixa 3 0% Comprimento de onda (nm) Figura 2. Comportamento espectral médio de folhas de ameixeira Reflectância (%) 100% 80% 60% 40% 20% Média Banana 1 Média Banana 2 Média Banana 3 0% Comprimento de onda (nm) Reflectância (%) 90% 75% 60% 45% 30% 15% Figura 3. Comportamento espectral médio de folhas de bananeira Média Limão 1 Média Limão 2 Média Limão 3 0% Comprimento de onda (nm) Figura 4. Comportamento espectral médio de folhas de limoeiro 3250

7 A representação quantitativa da perda de umidade da folha, estabelecida através da mensuração dos índices vegetativos NDWI, NDII e MSI, não demonstrou linhas de tendência evidenciadas entre as três variáveis, isto é, não há uma relação linear que estabeleça uma forte correlação entre o teor de água e os períodos de tempo após a extração da folha. No entanto, uma discreta diminuição na umidade do limão e da ameixa pode ser observada em ambos os gráficos, ainda que não seja significativa para esse recorte de análise. Figura 5. Índices de Vegetação 5. Considerações Finais O delineamento das curvas de comportamento espectral de três cultivares distintas demonstrou que as medições radiométricas são instrumentos eficazes na caracterização de cada estrutura vegetal e de como esta responde às diversas interferências do meio. Assim, o comportamento espectral associado a outras variáveis de análise pode subsidiar métodos eficazes para o estudo fisiológico de plantas individuais ou de áreas de cultivo agrícola. Com relação à estimativa do efeito da perda de umidade sobre a resposta espectral, não foram observadas alterações quantitativas e/ou qualitativas significativas. Este fato pode ter ocorrido devido às próprias condições do experimento visto que, de acordo com Souza et al. (1996), as condições de estresse hídrico começam a ser sentidas nos valores de reflectância da região do visível seis horas após a extração das folhas. Já na região do infravermelho, diferenças significativas são sentidas três horas após a extração. Como as medições foram realizadas aproximadamente em 40min e em 2h40min após a coleta das folhas, o tempo para que o decréscimo no teor de água influenciasse de forma significativa no comportamento espectral dos alvos não foi suficiente. Além disso, a umidade relativa do ar no dia de coleta (em torno de 89%) pode ter exercido influência nos resultados, retardando o processo de perda de umidade. Novos estudos estão sendo realizados com o intuito de compreender melhor a dinâmica do comportamento espectral de folhas com diferentes teores de umidade, o que servirá de base para que os produtores tomem melhores decisões relativas à aplicação de água. 3251

8 6. Referências Clevers, J.G.P.W.; Kooistra, J. Using spectral information at the nir water absorption features to estimate canopy water content and biomass. In ISPRS 2006: ISPRS mid-term symposium 2006 remote sensing: from pixels to processes, Enschede, the Netherlands, Collwell, J.E. Vegetation canopy reflectance. Remote Sensing of Environment, v.3, n.3, p , Daughtry, C.S.T.; Biehl, L.L. Changes in spectral properties of detached leaves. West Lafayette, Indiana: Laboratory for Aplications of Remote Sensing, p. Demarez, V.; Gastellu-Etchegorry, J.P. A modelling approach for studding forest chlorophyll content. Remote Sensing of Environment, v. 71, p , Fontana, D.C. Índice de vegetação global para o monitoramento da vegetação e a sua correlação com elementos agrometeorológicos e rendimento de grãos de soja, Porto Alegre. 133 f. Tese (Doutorado em Agronomia). Programa de Pós Graduação em Agronomia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Gao, B.C. NDWI - A normalized difference water index for remote sensing of vegetation liquid water from space. Remote Sensing of Environment, v. 58, p , Jensen, J.R. Sensoriamento Remoto do Ambiente: Uma perspectiva em recursos terrestres (Tradução da Segunda Edição). São José dos Campos: Parêntese Editora, 2001, 598 p. Hunt Jr., E.R.; Rock, B.N. Detection of changes in leaf water content using near and middle-infrared reflectances. Remote Sensing of Environment 30:43-54, Kumar, R. Radiation from plants-reflection and emission: a review. West Lafayette: Purdue Research Foundation, p. Penuelas, J.; Filella, I.; Biel, C.; Serrano, L.; Save, R. The reflectance at the mm region as an indicator of plant water status. International Journal of Remote Sensing, 14, 1993, p Pinto, L.M.; Souza, G.R.C.; Camargo, L.P.; Reginatto, L.A.; Luiz, S.P.F.; Cruz, S.T.D.; Silva, S.M.G.; Bilhalva, W.D.B.; Pereira, R.S. Caracterização espectral de folhas e influência do tempo após a coleta de folhas na reflectância de duas cultivares de Pennisetum purpureum Schum. In: XV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto. Anais... Curitiba: INPE, 2011, p Ponzoni, F.J. Comportamento espectral da Vegetação. In: Sensoriamento Remoto - Reflectância dos Alvos Naturais. Editores: Meneses, P.R.; Madeira Netto, J.S. Universidade de Brasília - UnB. Embrapa Cerrados. Brasília, DF. p , p. Pyne, S.J.; Andrews, P.L.; Laven, R.D. Introduction to wildland fire. (2ª ed.). New York: Wiley, p. Sanches, I.D.A. Anderson, L.O.; Rojas, E.H.M.; Oliveira, C.G. Influência do tempo após a coleta de folhas na reflectância e transmitância. In: XI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto. Anais... Belo Horizonte: INPE, 2003, p Souza, C.L.; Ribeiro, M.C.; Ponzoni, F.J. Influência do tempo e do tipo de armazenamento na reflectância espectral de folhas de Eucalyptus grandis "ex-situ". Revista Árvore, v.20, n.2, p ,