COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS

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1 O s.r. pode desempenhar importante função na identificação, inventário e mapeamento dos solos superficiais terrestres, especialmente quando não estão recobertos por vegetação. O s.r. pode auxiliar na modelagem da erosão dos solos, provendo informações para a Equação Universal de Perdas de Solos (USLE, Universal Soil Loss Equation) e para outros modelos hidrológicos. O s.r. p pode p prover informações ç sobre a composição p ç q química de rochas e de minerais da superfície p terrestre q que não estejam completamente recobertos por vegetação densa e para isso devemos entender o funcionamento das bandas de absorção específicas associadas com determinados tipos de rochas e minerais, quando é utilizada a espectroscopia de imageamento. O s.r. p pode ser utilizado p para identificar relações ç geobotânicas e p g para identificar g geoquímica q dos solos ou tipos p de rochas. Características e Taxonomia dos Solos Solo é o material inconsolidado da superfície terrestre que serve como meio natural para o crescimento das plantas. Horizontes dos solos Processos biológicos, químicos e físicos que ocorrem nos solos criam subdivisões zonais que se distribuem di t ib no perfil fil do d solo l onde d há movimento i t relativamente l ti t livre li d água de á gravitacional e da umidade do lençol freático. Isso resulta na criação de camadas relativamente horizontais chamadas horizontes do solo. Um perfil padrão de solo, como definido pelo depto de Agricultura dos EUA (USDA). Os principais horizontes do solo são: O, A, E, B, C, situados sobre a rocha-mãe (R). O horizonte O contém matéria organica parcialmente decomposta. Os subhorizontes são transicionais para e entre horizontes.

2 Características e Taxonomia dos Solos Tamanho das Partículas do Solo e Textura O diâmetro médio dos grãos do solo num horizonte é uma das principais variáveis usadas para identificar a classificação taxonômica de um solo. Há três classes universalmente aceitas de tamanhos de grãos de solos: areia, silte e argila. No entanto existem diversas escalas para classificar o tamanho dos grãos de solos: A textura do solo relacionase à proporção relativa de areia, silte e argila existente.

3 Características e Taxonomia dos Solos Taxonomia dos solos A classificação taxonômica dos solos visa diferencia qualitativa e quantitativamente entre as categorias de solo existentes. As 12 principais ordens de solos do Sistema Americano de Classificação de Solos (USST) são: Alfisols (solos ricos em nutrientes), Andisols (solos vulcânicos), Aridisols (solos desérticos), Entisols (solos novos), Gelisols (solos de tundra), Histosols (solos orgânicos), Inceptisols (solos jovens), Mollisols (solos de pradarias), Oxisols (solos tropicais), Spodosols (solos de floresta), Ultisols (solos pobres em nutrientes), e Vertisols (solos de argilas expansivas). Chaves dicotômicas adicionais permitem a classificação dos solos em Subordens, Grandes Grupos, SubGrupos, Famílias e Séries. Sensoriamento Remoto de Propriedades dos Solos Para o mapeamento dos tipos de solos é essencial que muito trabalho de campo seja realizado já que muitas informações são de ordem biológica, química e física dentro de cada horizonte do solo em análise. Desta forma não é realístico ter como expectativa que o s.r. possa ser uma panaceia universal que permite executar mapeamentos de categorias de solos sem contar com coletas de dados in situ. Teoricamente, a radiância total que é refletida por um solo exposto e é registrada por um sensor (Lt) é função da energia i eletromagnética l é i das d fontes f id ifi d na seguinte identificadas i fi figura e sumarizadas i d por: Lt = Lp + Ls + Lv

4 Sensoriamento Remoto de Propriedades dos Solos Lt = Lp + Ls + Lv Lp = é a porção da radiância registrada, proveniente da radiação descendente do Sol (Esol) e da atmosfera (Eatm), que nunca atinge a superfície do solo. Ls = uma parte da radiação solar direta e difusa atinge a interface ar-solo (também denominada boundary layer ) e a penetra em aproximadamente ½ λ de profundidade do solo. A quantidade de fluxo radiante que emerge da coluna do solo por reflexão e por espalhamento, que ocorre nesta profundidade é Ls. As características dos constituintes do solo, seja a matéria orgânica, sejam os inorgânicos, bem como a quantidade de umidade presente no solo, apresentam significativo impacto na quantidade de energia absorvida, espalhada p e/ou / refletida p por esta superfície. p Lv = uma parte da radiação solar direta e difusa incidentes pode ser capaz de penetrar talvez uns poucos mm ou até mesmo um ou dois cm na coluna do solo. Esta parte pode ser refletida como espalhamento volumétrico, Lv. A quantidade de fluxo radiante volumétrico espalhado ou refletido de volta para a atmosfera é função do λ da eem incidente, do tipo e da quantidade de constituintes orgânicos/minerais, da forma e da densidade dos minerais, do grau de compactação mineral e da quantidade de umidade presente no solo. As características de reflectância espectral dos solos são funções de várias características importantes, incluindo: - a textura do solo (% de areia, silte e argila); - o conteúdo de umidade do solo; - o conteúdo de matéria orgânica; - o conteúdo de óxidos de ferro; - a salinidade do solo; - a rugosidade superficial.

5 Sensoriamento Remoto de Propriedades dos Solos Solos e rochas recebem a irradiância proveniente do sol (Esol) e da atmosfera (Eatm). A radiância total que emerge de um solo/matriz rochosa em direção a um sensor remoto é função da radiância do espalhamento atmosférico indesejado (Lp), da quantidade substancial de radiância (Ls) refletida ou espalhada pela superfície superior do solo/matriz rochosa (aproximadamente ½ λ em profundidade), profundidade) da pequena quantidade de radiância volumétrica de subsuperfície (Lv) e da muito pequena quantidade de radiância do subsequente substrato solo/rocha.

6 Sensoriamento Remoto de Propriedades dos Solos Geralmente, um solo seco com pouca matéria orgânica exibe uma curva de reflectância espectral relativamente simples e menos complexa do que as curvas da vegetação ou dos corpos d água que contêm algas. A reflectância dos solos secos aumenta com o aumento dos comprimentos de onda, especialmente no visível e no IR próximo. Entretanto, à medida que se umedece um solo, ou que há aumento de matéria orgânica ou de óxido de ferro, sua resposta espectral mudará á consideravelmente. Î Curvas de reflectância obtidas in situ para solo siltoso seco e para solo arenoso seco. Textura e Conteúdo da Umidade do Solo A reflectância total por λ para um dado solo seco sem matéria orgânica e sem óxidos de ferro é função da média da energia especular refletida pelas superfícies das partículas do solo e da reflectância do volume do solo advinda dos espalhamentos internos. Quanto mais fina a textura maior a capacidade dso solo em manter um alto conteúdo de umidade quanto ocorrem precipitações e quanto maior a umidade do solo, maior será a absorção de energia radiante incidente e, portanto, menor será a quantidade de eem refletida.

7 Sensoriamento Remoto de Propriedades dos Solos Textura e Conteúdo da Umidade do Solo Dados de s.r. de superfícies expostas de solos, obtidas após grandes precipitações, ficarão significativamente mais escuros do que se a imagem tivesse sido adquirida após muitos dias sem chuvas. Isto ocorre porque a água, nas superfícies dos solos, absorve grande parte da eem incidente, especialmente no visível e no IR próximo, resultando em menor quantidade de radiância que é enviada em direção ao sistema sensor considerado. Somente é possível diferenciar entre solos argilosos e silto/arenosos, se os solos estão praticamente secos e contêm muita pouca matéria orgânica, o qual poderia mascarar tal relação. Também é possível diferenciar entre algumas texturas de solos usando características de retroespalhamento das microondas ativas (radar). Comprimentos de onda relativamente pequenos, na banda C (5,8cm), podem ser utilizados para identificar a extensão de areia seca, enquanto que comprimentos de onda maiores, na banda L (24cm), penetram melhor em camadas finas de areia úmida. Quanto maior o conteúdo de umidade em solos arenosos (a) e em solos argilosos (b) menor a reflectância ao longo da região do visível e do IR próximo, especialmente nas bandas de absorção de água em 1,4 μm, em 1,9 μ m, e em 2,7 μm.

8 Sensoriamento Remoto de Propriedades dos Solos Matéria Orgânica e Crostas Biológicas do Solo Geralmente quanto maior a quantidade de matéria orgânica maior será a absorção de energia incidente e menor a reflectância espectral. espectral As Crostas Biológicas de Solos são comunidade de musgos, liquens, briófitas, algas, fungos, cianobactérias e bactérias. Elas podem sobreviver em condições de seca e temperaturas extremas (acima de 70ºC), em altos ph e em altas salinidades. Quanto maior a quantidade de material orgânico num solo, maior será a absorção da energia incidente e menor a reflectância espectral. Reflectância espectral de crostas biológicas de solos, incluindo também a reflectância de solo exposto, vegetação e sombra de Î vegetação.

9 Sensoriamento Remoto de Propriedades dos Solos Óxidos de Ferro Salinidade do Solo A existência de óxidos de ferro geralmente causa aumento na reflectância do vermelho (600 a 700nm) avermelhando, 700nm), avermelhando portanto, portanto a cor destes solos. solos A reflectância geralmente aumenta com o aumento das concentrações de sais nas regiões do visível e IR próximo próximo. Há também uma significativa diminuição na reflectância do azul e do verde, e também estes solos exibem uma banda de absorção na região de 850 a 900nm, quando se compara com solos de textura francoarenosa sem óxidos de ferro. A figura abaixo deixa claro porque os depósitos salinos tipicamente se sobressaem como brancos intensos em fotos aéreas IR coloridas ou em composições multiespectrais falsa-cor.

10 Sensoriamento Remoto de Rochas e Minerais É possível modelar a reflectância de uma rocha exposta que contenha vários minerais ou um único mineral, com base na equação de Hapke (1993): onde rλ é a reflectância no comprimento de onda, μ0 é o cosseno do ângulo de incidência da luz sobre a rocha ou mineral de interesse, μ é o cosseno do ângulo da eem emitida, g é o ângulo de fase, w é o albedo médio do espalhamento individual, Bg é a função de retroespalhamento, Pg é a função de fase média da partícula individual, e H é uma função para espalhadores isotrópicos. Com esta teoria de reflectância e com as conhecidas constantes ópticas dos minerais, é possível computar o espectros teóricos de reflectância para 1) minerais puros que tenham tamanho único de grão, 2) mineral puro com variedade de tamanhos de grãos, e 3) misturas minerais com variados tamanhos de grãos. Espectroscopia de Imageamento de Rochas e Minerais Os instrumentos de espectroscopia de imageamento são úteis para obtenção de informações quantitativas sobre tipos de rochas e composições de minerais. Os fótons de eem incidente num mineral ou rocha são 1) refletidos pelas superfícies dos grãos para outras superfícies de grãos, 2) transmitidos através do grão para outros grãos, e/ou 3) absorvidos dentro do grão. Se todo mineral absorvesse e espalhasse os fótons provenientes da eem emitida pelo sol de maneira idêntica, então não ã haveria h i base b para o s.r. mineralógico i ló i e, então, ã a quantidade id d de d energia i que deixaria d i i cada d tipo i de d mineral i l em comprimentos de onda específicos seria idêntica.

11 Sensoriamento Remoto de Rochas e Minerais Espectroscopia de Imageamento de Rochas e Minerais Comparação de espectros de alunita (um sulfato de alumínio) í obtido por sensor de laboratório; obtido por simulação conforme as bandas TM/Landsat (reamostrados a partir do espectro de laboratório); e espectro obtido por um sensor GERIS (Geophysical and Environmental Research Imaging Spectometer) de 63 canais. Muitas informações características de bandas de absorção são perdidas pela curva simulada do TM (com exceção da baixa reflectância na banda 7, localizada em 2,2 μm), ao passo que grande parte da informação espectral está preservada na curva do GERIS.

12 Sensoriamento Remoto de Rochas e Minerais Espectroscopia de Imageamento de Rochas e Minerais Uma curva de reflectância espectral típica obtida por um espectrômetro de imageamento exibe vários máximos e mínimos, onde os últimos são causados por fortes bandas de absorção. absorção É importante destacar que somente sensores hiperespectrais com resolução de larguras de bandas espectrais da ordem de aproximadamente 10nm têm a capacidade de captar as diferenças existentes a longo dos λ. A espectroscopia de imageamento produz as bibliotecas espectrais dos principais componentes de rochas e minerais e podem ser utilizadas para comparar com dados obtidos por sensores remotos e inferir sobre o tipo de rochas e minerais existentes em determinada área de interesse. Espectros de três minerais, derivados do AVIRIS (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer) e usando um espectrorradiômetro de laboratório. As linhas verticais identificam feições-chave ç de absorção, ç, úteis p para identificar a caulinita. A discrepância entre as curvas de laboratório e AVIRIS para cada mineral são devidas a 1) Os espectros de laboratório são produzidos pelo uso de amostras puras, enquanto que os dados do AVIRIS são extraídos de áreas relativamente grandes (20x20m) que contêm uma mistura de materiais dentro do campo de visada instantâneo (IFOV) do sistema sensor, 2) Os dados AVIRIS são registrados sob efeitos atmosféricos, atmosféricos e 3) As amostras de laboratório estão secas, enquanto as outras, obtidas em condições de campo, podem exibir pequenas diferenças na umidade dos solos. Os espectros estão deslocados verticalmente para efeitos de maior clareza.

13 Geologia As imagens de s.r. são rotineiramente interpretadas para identificar litologia, estrutura, características dos padrões de drenagem e formas terrestres. Adicionalmente, o s.r. é frequentemente usado na exploração mineral e de petróleo. A forma e os padrões de drenagem podem ser identificados em imagens de s.r. sejam elas do espectro visível, IR ou microondas Vejam os exemplos. microondas. exemplos a) Topo: padrão de drenagem dentrítico hipotético. Embaixo: Fotografia aérea vertical de um padrão de drenagem dendrítico encontrado em Tivoli North Bay da Hudson River National Estuarine Research Reserve, em Nova Yorque. b) Padrão de drenagem treliça encontrado nas cadeias de Uinta Mountains, em Utah (dados MSS Landsat). c) Padrão de drenagem retangular controlado estruturalmente do Colorado River no Grand Canyon (dados da banda 4 do TM ) Landsat).

14 Geologia a) Imagem radar SIR-C de padrões de drenagem paralelo e radial encontrado no cone vulcânico em Maui, HI. b) Fotografia aérea oblíqua da Diamond Head Crater em Oahu, HI, revelando os padrões de drenagem radial e centrípeto interior. c) Fotografia do Space Shuttle de padrão de drenagem anular na Manicouagan Crater, em Canadian Shield, na Província P í i de d Quebec, Canadá.

15 Geologia a) Imagem ASTER de padrão de drenagem dicotômico em um delta aluvial da cadeia de montanhas de Kunlun e Altun no sul de Taklimakan Desert na Província de XinJiang, China. b) Foto Space Shuttle de padrão entrelaçado no Rio Betsiboka, em Madagascar. c) Imagem de radar SIR-C/X-SAR do Rio Mississipi mostrando padrão de drenagem anastomosado.

16 Formas de relevo são feições tridimensionais da superfície terrestre formadas por processos naturais, como vulcões, platôs, cadeias de montanhas, canais de drenagem, etc. é a ciência que estuda a natureza e a história das formas de relevo, bem como os processos de intemperismo erosão e deposição que as originaram. intemperismo, originaram Uma pergunta natural poderia ser: Qual é o tipo ideal de dado e/ou imagem de s.r. para estudar, avaliar e classificar formas de relevo terrestre? Inicialmente, pode-se dizer que nenhum sensor, sozinho, é ideal para o estudo de todas as formas de terreno existentes. Assim que nos próximos slides teremos exemplos de diversos usos de imagens no estudo da gemorfologia.

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