CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO

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1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO Ao mesmo tempo em que a agricultura desempenha o insubstituível papel de suprir a demanda por alimentos e fibras de uma população em crescimento, também é forte a preocupação mundial pelo desgaste que as atividades agrícolas, em geral, causam ao meio ambiente. Neste contexto, o sensoriamento remoto orbital proporciona uma possibilidade de monitorar grandes áreas da superfície terrestre com alta freqüência e baixos custos. Entre as muitas aplicações proporcionadas pelo sensoriamento remoto, a capacidade de mapear culturas agrícolas tem sido de grande interesse para o monitoramento da produção agrícola, o planejamento de microbacias, o manejo racional e sustentável dos recursos naturais e agrícolas e a necessidade de atuação social em áreas de produção agrícola. Em geral, as culturas agrícolas de sequeiro têm ciclos de crescimento em épocas de altas precipitações e de altos índices de cobertura de nuvens, gerando problemas sérios de imageamento por sensores óticos. Assim, países tropicais como o Brasil, com altas taxas de precipitação pluviométrica, e conseqüente alta cobertura de nuvens, têm o monitoramento e planejamento agrícola bastante prejudicados por estes tipos de sistemas sensores Portanto, para propósitos de monitoramento e mapeamento de culturas, o imageamento com sensores remotos atuando na faixa espectral de microondas pode apresentar vantagens sobre sensores óticos, devido ao fato da radiação emitida pelos sensores de microondas ter a capacidade de penetrar nuvens, fumaça e névoa. Além disso, os sensores de microondas têm a capacidade de imageamento noturno e não dependem da radiação eletromagnética emitida pelo Sol, permitindo a construção de bancos de dados de imagens praticamente constantes e ininterruptas. Os sensores de microondas apresentam informações diferenciadas das dos sensores óticos sobre o dossel das culturas, o teor de umidade do solo, os parâmetros biofísicos 23

2 das culturas e a interação no sistema solo-planta, trazendo, portanto, novas perspectivas para a discriminação de culturas, ainda não exploradas nas regiões tropicais. O futuro lançamento de novos sensores na faixa de microondas, como o ENVISAT- ASAR (ESA,1998), Radarsat-2 (CCRS, 1998) é forte motivação para que novas pesquisas sejam desenvolvidas sobre os processos de retroespalhamento em imagens de radar e a sua relação com alvos terrestres. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho é avaliar o potencial das imagens multitemporais do Radarsat para agricultura, visando mapear e monitorar culturas agrícolas. Mais especificamente, objetiva-se: Testar a capacidade de discriminar e identificar diferentes culturas agrícolas através de imagens Radarsat; e Determinar e avaliar o relacionamentos dos parâmetros fenológicos das culturas e o coeficiente de retroespalhamento extraídos de dados Radarsat na banda C, polarização HH. Com este trabalho, espera-se contribuir para a utilização de imagens na faixa de microondas na agricultura, permitindo um melhor entendimento do comportamento das culturas agrícolas nesta faixa do espectro, de maneira a melhorar o monitoramento e o planejamento agrícola do país. 24

3 CAPÍTULO 2 COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE ALVOS AGRÍCOLAS NA FAIXA DE MICROONDAS O coeficiente de retroespalhamento (σ O ) é um dos parâmetros de análise em imagens na faixa de microondas, e corresponde a resposta da seção transversal do radar (em metros quadrados) dividido pela área iluminada (em metros quadrados). Nesta faixa do espectro, o retroespalhamento (σ o ) (Figura 2.1) é governado por dois tipos de fatores: fatores geométricos relacionados com atributos da superfície dos alvos e fatores elétricos determinados pela constante dielétrica do solo e da vegetação para um dado comprimento de onda (Dobson et al., 1995). Os dois fatores são influenciados por mudanças ambientais como variações atmosféricas, precipitação, temperatura e ventos. Além dessas variações de caráter ambiental, variações referentes a distúrbios na cobertura do solo, como incêndios, pragas e estresse hídrico também influenciam os valores de σ o como está descrito na Figura Retroespalhamento direto das plantas 2 Retroespalhamento direto do solo (inclui 2 caminhos de atenuação pelo dossel) 3 Espalhamento múltiplo pelo solo e plantas Fig Contribuições do retroespalhamento de um dossel agrícola. FONTE: Ulaby et al. (1984, p. 115). 25

4 Tamanho, forma e distribuição Densidade Propriedades dielétricas Fig Principais fatores controladores do retroespalhamento em vegetação e alvos agrícolas. FONTE: Adaptado de Dobson et al. (1995, p. 200) PARÂMETROS RELACIONADOS AO SISTEMA SENSOR A freqüência ou o comprimento de onda, juntamente com o ângulo de incidência e a polarização são os principais parâmetros definidores de um sistema sensor na faixa de microondas (Brisco e Brown, 1997). Estes parâmetros definem o tipo de informações contidas no sinal de retorno e o tipo de interação entre a energia incidente e os alvos. Além destes, outros parâmetros têm importância, como a resolução espacial em azimute 26

5 e em range, a largura da faixa imageada e a potência do pulso transmitido, porém esses fatores não serão tratados aqui Freqüência A magnitude do coeficiente de retroespalhamento de alvos agrícolas depende diretamente da freqüência, pois esta define a ordem de grandeza dos efeitos da constante dielétrica e da rugosidade superficial dos alvos na absorção, transmissão e espalhamento da radiação incidente. A freqüência também tem uma relação importante com o tamanho das partes das plantas, o que interfere diretamente na penetração da onda nos alvos. A constante dielétrica da água à temperatura ambiente pode variar de 78 a 50 apenas com a mudança de freqüência, da banda P para a banda Ka (Ulaby et al., 1986b). Como as culturas são compostas de diferentes teores de água em cada estágio fenológico, a freqüência desempenha um papel importante no monitoramento temporal de cultura. Entre diferentes espécies o teor de água dos tecidos também varia, sendo importante para a caracterização do retroespalhamento das culturas, facilitando a discriminação e identificação dos alvos agrícolas (Ulaby e Jedlicka, 1984). O poder de penetração da onda é inversamente proporcional à freqüência. Assim, com a diminuição da freqüência, aumenta-se a penetração da radiação nos alvos (vegetação, culturas agrícolas e solo). Com esta diminuição, os tamanhos dos elementos que constituem os alvos agrícolas (folhas, caules, hastes e flores) tornam-se menores em relação ao comprimento de onda, ficando mais lisos e invisíveis para o sensor. Desta forma os elementos da cultura com tamanho menor que o comprimento de onda não são detectados pelo sensor. A rugosidade dos dosséis e do solo nu também é função da freqüência já que ela determina o tamanho mínimo dos objetos detectados pelo sensor. Segundo Dallemand et al. (1993), uma superfície pode ser considerada lisa pelo critério de Rayleigh se : 27

6 λ h < ou 8cosθ c 1 h < (2.1) 8cosθ f onde h é a altura média das variações da superfície, λ é o comprimento de onda, c é a velocidade da luz, f é a freqüência, e θ é o ângulo de incidência. Outros critérios de rugosidade também são relacionados na literatura como os listados na Tabela 2.1. TABELA CRITÉRIOS DE RUGOSIDADE Critérios de rugosidade Fraunhoffer lisa se h < λ/32cosθ Peake e Oliver (1971) lisa se h < λ/25cosθ, muito rugosa se h > λ/4cosθ Ulaby e Dobson (1988) lisa se h <0,2λ/2π, rugoso se h >λ/2π Beaulieu et al. (1995). Segundo Brisco e Brown (1997), em geral, altas freqüências como as bandas Ku e X são dominadas pelo retroespalhamento do dossel, enquanto que freqüências menores, como as bandas L e P, são dominadas pelo retroespalhamento do solo, devido à sua maior capacidade de penetração. A Tabela 2.2 apresenta a freqüência e comprimento de onda das bandas Ku, X, L, P e C. Assim, os comportamentos 1 e 2 apresentados na Figura 2.1 são mais significativos para as freqüências maiores, enquanto o comportamento 3 é mais característico das freqüências menores. Convém ressaltar que o comportamento dominante não exclui a influência dos outros tipos de comportamento, que ocorrem simultaneamente. Pode-se concluir que as freqüências menores são mais adequadas para estimativa do teor de água e da rugosidade do solo e as freqüências maiores para os estudos de componentes das culturas. Da mesma forma, Bush e Ulaby (1978) afirmaram que as freqüências entre 13 e 16 GHz foram as que apresentaram a menor discriminação de culturas (alfafa, milho, soja e trigo) em um experimento terrestre avaliando freqüências de 8 a 18 GHz. 28

7 TABELA BANDAS DA REGIÃO DE MICROONDAS, SUAS ESPECTIVAS FREQÜÊNCIAS, COMPRIMENTOS DE ONDA E SUAS DENOMINAÇÕES Bandas P L C X K Freqüência (GHz) 0,2-0,39 0,39-1,55 3,9-5,75 5,75-10,9 10,9-36 Comp. de onda (cm) Adaptada de Dallemand et al. (1993, p. 4). Brown et al. (1992) concluíram que as bandas X e C proporcionaram maior exatidão na classificação de culturas que as bandas de freqüências menores, como a banda L. Os autores verificaram informações pouco relacionadas entre as bandas X e C, mesmo sendo estas duas bandas de comprimento de onda próximos, indicando que a combinação das duas bandas pode melhorar a discriminação de culturas agrícolas Polarização A polarização de uma onda eletromagnética refere-se à orientação de seu campo elétrico. Tradicionalmente, os sistemas de radares de abertura sintética (SAR) utilizam polarizações lineares paralelas de orientação horizontal (H) ou vertical (V), representadas por duas letras: a primeira letra refere-se à polarização da radiação transmitida pela antena e a segunda letra à polarização da radiação recebida pela antena. As polarizações cruzadas não estão disponíveis em sensores orbitais operando sistematicamente. Elas foram utilizadas basicamente em experimentos terrestres, em missões aerotransportadas como Maestro, AgriSAR, SAREx, AirSAR, GlobeSAR e as missões orbitais SIR A, B e C, a bordo de ônibus espaciais. Dobson et al. (1995) afirmaram que o comportamento polarimétrico da vegetação é a chave para a interpretação de informações de sua estrutura. Culturas com caules e folhas apresentando orientação predominantemente vertical capturam melhor a radiação incidente polarizada verticalmente que a radiação polarizada horizontalmente, provocando maior atenuação da radiação. Isto explica porque um dossel que possui uma estrutura vertical predominantemente, como é o caso de gramíneas (pastos, sorgo, cana 29

8 de açúcar, arroz), tem maior atenuação da radiação eletromagnética transmitida em polarizações VV do que em polarizações HH (Ulaby et al., 1982). Yun et al. (1995) também verificaram que as diferenças entre as polarizações HH, VV e HV nas bandas X e C, medidas com um radar aerotransportado, foram mais significativas no arroz irrigado, por causa da estrutura tipicamente vertical das folhas e dos colmos, comparados à cilindros dielétricos finos, quando comparadas com outras culturas (cana de açúcar, banana e uvas). As áreas com arroz tiveram maior atenuação em ambas as bandas para a polarização VV e as áreas com banana, que possuem folhas largas e planas, tiveram maiores valores de retroespalhamento na polarização VV. Brisco et al. (1992) estudaram a discriminação das culturas de trigo de primavera, cevada, canola e pousios de verão, nas bandas Ku, C e L e nas polarizações HH, HV e VV através de um escaterômetro montado em um caminhão. Os autores verificaram que a polarização HV foi 51% melhor na discriminação das culturas que a polarização VV e que esta última foi 16 % melhor que a HH. Este resultado superior da polarização cruzada é resultado da detecção do retroespalhamento em diferentes direções, permitindo maior detecção do espalhamento múltiplo e volumétrico que ocorre nas culturas. A literatura (Dobson et al., 1995) afirma que a polarização cruzada é muito adequada à detecção do teor de umidade dos solos. O problema é que no momento não há nenhuma plataforma operando com este tipo de polarização. Bush e Ulaby (1978), estudando a classificação das culturas de alfafa, milho, trigo e soja para freqüências variando de 8 a 18 GHz, com ângulo de incidência de 50 0 offnadir com um escaterômetro, concluíram que a polarização VV apresentou os melhores resultados em todas as combinações possíveis de freqüência e polarização Ângulo de incidência A intensidade do efeito que o ângulo de incidência exerce sobre o retroespalhamento é diretamente afetada pela ação da freqüência e da polarização. Ângulos de incidência maiores que 40 o aumentam o trajeto da radiação através da vegetação, maximizando sua resposta, enquanto que comprimentos de onda pequenos penetram menos na vegetação, 30

9 fornecendo pouca informação referente à biomassa e o dossel. Estes efeitos contrários podem ser compensados quando a escolha de ângulos de incidência adequados à freqüência e aos objetivos do trabalho (Brisco e Brown, 1997). Para sistemas operando com polarização cruzada, o coeficiente de extinção, resultado das perdas por absorção e espalhamento em um meio, aumenta quando se aumenta o ângulo de incidência. Desta forma, para ângulos de incidência maiores que 40 o, as polarizações paralelas HH ou VV são mais aconselháveis para o levantamento e mapeamento da vegetação. Brisco et al. (1992) estudaram o efeito dos diferentes ângulos de incidência sobre as freqüências Ku, C e L e polarizações HH, HV e VV. Concluíram que a melhor faixa de ângulos de incidência para a separação de culturas agrícolas é a que vai de 30 o a 60 o, o que mostra o potencial das imagens Radarsat para o monitoramento agrícola. Os autores também ressaltaram que este resultado é atribuído à maior interação entre a radiação e o dossel, fruto da maior inclinação dos ângulos de incidência. Paris (1983), utilizando um escaterômetro aerotransportado com a possibilidade de imagear em 10 ângulos de incidência diferentes a partir de 5 o, em intervalos de 5 graus, verificou que, para condições de solo seco, a melhor separação entre o milho e a soja deu-se na banda C com polarização HV e ângulo de incidência de 50 o. Verificou também que as variações no ângulo de incidência da ordem de 5 o não produziram variação significativas no retroespalhamento das culturas do milho, da soja e da alfafa. A separação destas culturas usando ângulos de incidência menores que 15 o foi inferior em relação a ângulos maiores que 35 o. Estas conclusões foram explicadas pelo autor como resultado do fato que em ângulos menores ou iguais a 15 o, o retroespalhamento é afetado pelo solo e pelo dossel das culturas, enquanto que para ângulos próximos a 50 o, o retroespalhamento é dominado principalmente pelo espalhamento do dossel. 2.2 PARÂMETROS DOS ALVOS As características dielétricas e geométricas dos alvos agrícolas influenciam diretamente na interação da radiação na faixa de microondas, determinando a magnitude do retroespalhamento (Ulaby et al., 1984). É importante ressaltar que a interação entre 31

10 estas duas características dos alvos ocorre simultaneamente no processo de retroespalhamento, sendo bastante difícil isolar o efeito de cada uma delas (Brisco e Brown, 1997). Por isso, os trabalhos de campo são quase sempre obrigatórios, pois permitem que o conhecimento da situação real das culturas em campo, ou seja, possibilitam um melhor entendimento do efeito que os fatores geométricos e dielétricos exercem separadamente sobre o retroespalhamento (Cihlar et al., 1987). Estes dois parâmetros apresentam formas diferentes de influenciar o retroespalhamento. As propriedades dielétricas governam a magnitude do espalhamento e a atenuação do sinal, determinando a proporção da energia incidente que é transmitida, absorvida e espalhada. As propriedades geométricas controlam a distribuição espacial do espalhamento, determinando em que direção do espaço tridimensional o espalhamento se dá preferencialmente (Dobson et al., 1995). A umidade do solo e da planta, a freqüência e o ângulo de incidência são os principais fatores que influenciam as propriedades dielétricas dos alvos (Ulaby e Jedlicka, 1984). Portanto, para um mesmo ângulo de incidência e uma mesma freqüência (como é o que ocorre com as imagens multitemporais do Radarsat), o único fator que varia é o teor de umidade, sendo o principal responsável pela interferência nas propriedades dielétricas dos alvos (solo e vegetação) e, conseqüentemente, no retroespalhamento. Os principais aspectos geométricos dos alvos agrícolas que interferem no retroespalhamento são: rugosidade superficial do solo e do dossel, porcentagem de cobertura vegetal, altura da cultura, biomassa, índice de área foliar (IAF), estágio fenológico, direção e espaçamento das linhas de plantio, densidade de plantio, arquitetura e estrutura das plantas e do dossel e forma, tamanho e orientação das folhas (Touré et al., 1994; Brisco e Brown, 1997; Le Toan et al., 1997). Ulaby et al. (1986b) enumeram seis fatores principais que governam o retroespalhamento de dosséis, dividindo-os da seguinte maneira: 1. A constante dielétrica da vegetação, que é fortemente influenciada pelo teor de água do material vegetal; 32

11 2. O tamanho dos elementos difusores do dossel, como folhas, tronco, frutos e flores; 3. A forma dos elementos difusores; 4. A orientação dos elementos difusores do dossel; 5. A rugosidade e a constante dielétrica do solo; e 6. A geometria de cobertura do solo, como a direção de plantio, o espaçamento, a porcentagem de cobertura e a altura das plantas. A seguir serão tratados os fatores dielétricos e geométricos dos alvos que governam o coeficiente de retroespalhamento em culturas agrícolas Fatores dielétricos O dossel das culturas pode ser analisado como uma mistura de dielétricos, folhas, caule, flores e frutos (Ulaby e Jedlicka, 1984). O coeficiente de absorção volumétrica de um dossel é derivado da constante dielétrica do mesmo. A constante dielétrica relativa (ε) de um meio determina seu espalhamento, transmissão e absorção na faixa de microondas. Ela depende primeiramente do conteúdo de água do material, mas também é influenciada pela temperatura e pela salinidade interna das folhas, pela densidade do material, pela superfície específica das folhas e pelo conteúdo químico das folhas (Dobson et al., 1995). Como a constante dielétrica da água é muito maior que a da vegetação ou do solo seco, o conteúdo de água do material tem um papel dominante no retroespalhamento do dossel (Daughtry et al., 1991). Na região de microondas, a constante dielétrica dos solos é sensível ao teor de umidade volumétrica do solo (Figura 2.3). Este teor é dependente da composição textural, ou seja, é função das frações de areia, silte e argila do solo (Ulaby et al., 1982). Como cada uma das frações texturais do solo apresenta capacidade diferente de reter a água, as múltiplas combinações de suas proporções determinam o teor de umidade possível de ser retido pelo solo. 33

12 30 solo siltoso Constante dielétrica ε s o l o ε's o ε" 30,6% areia 55,9% silte 13,5% argila o T = 23 C l o s o lo é a permitividade do meio é atenuação do meio ε'so lo 1,4 GHz GHz 12 5 ε" so l o 6 1,4 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Umidade volumétrica do solo m v Fig Curvas da constante dielétrica de solos. FONTE: Ulaby et al. (1986b, p. 2096) Ulaby et al. (1978) afirmaram que o σ o apresenta uma relação linear com a umidade do solo volumétrica, para freqüência de 1,5 GHz (banda L), polarização HH e ângulo de incidência de 20 o, independentemente da rugosidade do terreno Constante dielétrica Ulaby et al. (1982) definiram a constante dielétrica (ε) de um material como sendo um número complexo, constituído de uma parte real (ε ) e uma parte imaginária (ε ). A parte real é chamada de permitividade do material e a parte imaginária é denominada de fator de atenuação do meio. Matematicamente, a constante dielétrica é descrita como sendo: 34

13 ε = ε - jε (2.2) onde j é igual a 1. Em sensoriamento remoto, os alvos podem ser classificados em três classes distintas, quanto ao comportamento dielétrico: a) substâncias homogêneas, b) soluções eletrolíticas, e c) misturas heterogêneas. Na categoria de substâncias homogêneas, tem-se a água pura e o gelo com valores de ε que podem variar de 3 a 80 (Ulaby et al., 1982). Soluções eletrolíticas têm comportamento intermediário entre os materiais homogêneos e os heterogêneos; são exemplos deste comportamento o material intra-celular de plantas e solos com alto teor de umidade. As misturas heterogêneas são representadas pelo gelo marinho, neve, solo seco e dosséis de culturas Propriedades dielétricas e parâmetros das culturas A dependência do ε quanto ao teor de água da planta é tão grande que as variações diárias no teor de água das folhas podem causar mudanças significativas em ε. Assim, variações de temperatura que produzam mudanças no estado da água interna das plantas modificam o valor da constante dielétrica e, conseqüentemente, do coeficiente de retroespalhamento (Dobson et al., 1995). Attema e Ulaby (1978) desenvolveram um modelo de retroespalhamento de dosséis tratando-os como uma nuvem de pequenas gotas d água suspensas no volume ocupado pela vegetação e supondo que o retroespalhamento da vegetação é uniforme. O coeficiente de retroespalhamento neste modelo integra a contribuição do número de gotículas por unidade de volume sobre o trecho de passagem do sinal através do dossel. O σ o dos alvos é função do teor de água no solo e na vegetação e da altura das plantas. Posteriormente, Ulaby et al. (1984), melhorando este modelo, incluíram como contribuintes no retroespalhamento as folhas, os caules e o solo nos processos de retroespalhamento. Por exemplo, neste novo modelo, o milho e o sorgo teriam duas camadas (layers): a camada superior, composta pelas folhas, e outra, inferior, 35

14 representada pelo caule. O retroespalhamento do solo neste modelo de multicomponentes é atenuado pelas duas camadas superiores da vegetação. Em seguida, Ulaby et al. (1990) desenvolveram um outro modelo que considera o espalhamento e a absorção da radiação como resultado do comportamento do caule, similar a cilindros dielétricos, e das folhas, similar a pequenos discos com orientação aleatória. A fenologia das culturas governa o conteúdo de água das plantas e, conseqüentemente, as propriedades dielétricas das culturas. À medida que as culturas avançam para a colheita, o teor de água diminui, o que geralmente reduz a contribuição das plantas para o σ o e aumenta a penetração da radiação na vegetação, aumentando a contribuição do solo para o retroespalhamento total da cultura (Brisco e Brown, 1997). Estudando o efeito que a umidade do dossel das culturas de milho, trigo e sorgo tem sobre o retroespalhamento, através de um escaterômetro medindo em 4 freqüências (8,6; 13; 17 e 35,6 GHz), 3 polarizações (HH, VV e HV) e 3 ângulos de incidência (30 o, 50 o e 70 o ), Brakke et al. (1981) verificaram que a maior correlação entre a umidade e o retroespalhamento ocorreu para ângulos de incidência de 30 o e para freqüências de 13 e 17 GHz. Os autores observaram que a correlação diminuía com o aumento do ângulo de incidência. Para ângulos maiores, a radiação emitida pelo sensor atinge a vegetação mais lateralmente e não verticalmente, tornando menos sensível às variações do volume de biomassa e, conseqüentemente, ao teor de umidade do dossel. Brown et al. (1984), utilizando um radar aerotransportado na banda C e polarização HH constataram que o aumento da umidade do solo provocou uma diminuição na capacidade de discriminação entre áreas de pousio e grãos. Neste caso, a umidade mais alta do solo proporcionou uma elevação nos valores de retroespalhamento correspondentes às áreas de pousio, tornando-os mais semelhantes às áreas ocupadas por grãos. Gillespie et al. (1990) afirmaram que a maneira como a água se distribui na superfície das folhas, altera as propriedades dielétricas da cultura. Os autores verificaram que o σ o era afetado diferentemente se as folhas estivessem cobertas por um filme de água, como 36

15 ocorre nos casos de depósito de orvalho, ou se estivessem com gotas separadas uma das outras, como ocorre no caso de chuva ou irrigação. Contudo, para ambos os casos, a separação de alvos agrícolas foi realçada, permitindo melhor discriminação entre as culturas agrícolas. Brisco e Brown (1990) estudaram o estresse hídrico das culturas de trigo, cevada, ervilha e canola e o efeito da seca em áreas de pousios de verão, utilizando um radar aerotransportado, operando na banda C, polarização HH. Os resultados mostraram que o trigo com estresse hídrico foi facilmente separado das outras culturas, com e sem estresse hídrico. Para a cevada e a canola, também houve a separação entre os dois estados das culturas, porém com menor clareza. Para as ervilhas houve baixíssima separação entre o estado saudável e com estresse hídrico. Estes resultados mostram que o conteúdo de água da cultura do trigo tem papel mais importante no coeficiente de retroespalhamento que parâmetros geométricos da culturas, para esta banda e polarização. Para as outras culturas pesquisadas (cevada, ervilha e canola) o retroespalhamento é resultado da resposta conjunta dos parâmetros dielétricos e geométricos. A influência da umidade do solo no retroespalhamento é dependente do tipo de solo. Porém, quando se atinge a capacidade de campo, o σ o torna-se independente do tipo de solo (Ulaby et al., 1982). Estes autores também afirmaram que a espessura efetiva da camada de solo que tem importância na resposta do σ o varia de 1 cm a 15 cm em solo seco e de 0 a 5 cm em solos úmidos. No monitoramento de culturas em áreas irrigadas, onde na maior parte dos casos são realizadas operações de preparo do solo, as polarizações paralelas (HH e VV) são mais adequadas por serem mais sensíveis aos efeitos geométricos da cultura, como direção e espaçamento das linhas de plantio e menos sensíveis à umidade do solo. Proud et al. (1990) pesquisaram o efeito dos parâmetros do solo no retroespalhamento do dossel das culturas de tomate, fumo, alfafa, milho e soja com um radar aerotransportado operando na banda C, polarização HH e ângulo de incidência entre 45 e 76 o. Concluíram que a importância da umidade do solo era maior nas fases iniciais de 37

16 crescimento da cultura, diminuindo gradativamente à medida em que a cultura se desenvolvia e aumentava a cobertura do solo. Os autores também discutiram os efeitos da textura dos solos, mostrando que os solos arenosos tiveram influência mais significativa sobre o σ o quando comparados aos solos argilosos e siltosos. Os solos arenosos têm menor capacidade de reter água, portanto têm menor teor de umidade, causando menor atenuação da radiação e portanto contribuindo, mais efetivamente para o retroespalhamento total. Paris (1986) observou a baixa interferência que as mudanças na umidade do solo tiveram no valor total de retroespalhamento da cultura de milho, afirmando que a resposta do solo na fase final de amadurecimento da cultura não é significativa, na qual o dossel torna-se mais transparente à radiação. Entretanto, o autor ressalta que, para freqüências menores que 17 GHz, os resultados podem ser diferentes por causa do maior poder de penetração da onda Fatores geométricos Os parâmetros geométricos, conforme mencionado anteriormente, têm efeitos simultâneos e conjugado aos efeitos dielétricos, devendo ser considerados em função da freqüência/comprimento de onda. Neste caso, o comprimento de onda tem papel importante, haja vista que objetos menores que o comprimento de onda incidente produzem um espalhamento com padrão difuso e objetos de tamanho maior produzem espalhamento com padrão mais dirigido (Dobson et al., 1995). Da mesma forma, a rugosidade também é função do comprimento de onda, interferindo significativamente na função de espalhamento dos alvos. Por isso o tamanho dos difusores ou das partes das plantas é muito importante no estudo das relações do retroespalhamento e parâmetros agronômicos das culturas. Os principais parâmetros agronômicos que interferem no retroespalhamento serão discutidos nos próximos tópicos do trabalho Altura A altura das culturas determina a distância entre o topo do dossel e o solo, portanto, o volume do dossel pelo qual a radiação é obrigada a atravessar e interagir no processo de 38

17 retroespalhamento. Attema e Ulaby (1978) consideraram, em seu modelo cloud model, o retroespalhamento como função do teor de umidade do solo, teor de umidade das plantas e a espessura física vertical do dossel, ou seja, a altura das plantas. No MIchigan MIcrowave Canopy Scattering model (MIMICS), desenvolvido por Ulaby et al., (1990) para áreas de florestas temperadas, o dossel foi dividido em três camadas: copa, troncos e solo. Entre os parâmetros geométricos nas duas primeiras camadas, relacionados pelos autores, a altura da copa e a altura dos troncos aparecem com destaque. A Figura 2.4. ilustra a divisão do dossel em três camadas e mostra os parâmetros geométricos e dielétricos relacionados no modelo. Na adaptação do MIMICS para dosséis de culturas agrícolas, Touré et al. (1991, 1994) desconsideram a região dos troncos, considerando que esta altura seria igual a zero. No modelo original, a altura dos troncos é muito maior que o comprimento de onda; no contexto agrícola, isto já não é verdade, particularmente para culturas como a de cereais, onde o caule das plantas tem altura da ordem do comprimento de onda, principalmente nas bandas L e C, justificando a eliminação desta região. Adicionalmente, o caule das culturas agrícolas não ocupa uma região à parte do dossel das culturas como ocorre com os troncos de espécies florestais. 1 2a2b 4a 4b 5 1 2a 2b 3 5 camada do dossel camada dos troncos camada dossel agrícola solo solo contexto florestal 1: solo-planta-solo 2a: planta-solo 2b: solo-planta 3: diretamente da planta 4a: tronco-solo 4b: solo-tronco 5: diretamente do solo contexto agrícola Fig. 2.4 Ilustração de mecanismos de retroespalhamento que ocorrem em floresta e em culturas agrícolas, de acordo com o modelo MIMICS. FONTE: Touré et al. (1994, p.48). 39

18 No caso de algumas gramíneas como o trigo, milho e sorgo na fase de florescimento, há a emissão de um pendão constituindo uma nova região no modelo, os autores mantiveram o modelo com apenas duas camadas, agrupando pendões, caules e folhas, para facilitar a modelagem do retroespalhamento. Mesmo com a eliminação da região composta por troncos e a manutenção dos pendões dentro da mesma região do caule, a altura da região é fator importante no modelo, determinando a distância a ser percorrida pela radiação dentro do dossel, seja no percurso para atingir o solo seja no caminho de retorno em direção ao sensor. Le Toan et al. (1997), estudando o retroespalhamento na cultura do arroz, consideraram cada planta como um grupo de hastes-cilindros verticais e dielétricos com altura H, raio a e constante dielétrica ε s. Embora este modelo não utilize a divisão da cultura em camadas, o modelo utiliza a altura das hastes para representar a distância entre o topo do dossel e o nível base de inundação da cultura. Semelhante ao MIMICS, este modelo também considera que a atenuação da radiação incidente no dossel é função, entre outros fatores, da altura da cultura em relação ao nível de base do solo ou da lâmina de inundação, determinando o volume de material vegetal da cultura a ser atravessado pela radiação. O ajuste da curva de correlação entre o retroespalhamento e a altura das plantas de arroz Le Toan et al. (1997), mostra uma relação de segundo grau onde, numa primeira fase, o aumento da altura da cultura aumenta o retroespalhamento até o ponto de inflexão, que ocorre próximo a 1 m de altura. Na última fase, com o aumento da altura das plantas, começa a diminuir o retroespalhamento. Bakhtiari e Zoughi (1991) desenvolveram um modelo de retroespalhamento para áreas de pastagens naturais baseado na estatística descritiva da altura das folhas dos pastos, mostrando que o tamanho da folha dos pastos naturais é um dos principais fatores condicionantes do retroespalhamento. 40

19 Tamanho, forma e orientação das folhas Dependendo da arquitetura do dossel das culturas em termos do tamanho e da forma dos elementos difusores em relação ao comprimento de onda (λ), é possível tratá-lo como uma única camada com propriedades uniformes, como fizeram Touré et al. (1991, 1994) na modelagem do retroespalhamento de culturas agrícolas. Se os elementos são aleatoriamente orientados, a transmissividade para um dado ângulo de incidência, ϒ(θ), assume uma forte relação com a distância percorrida dentro da camada e uma fraca relação com a polarização. Para camadas constituídas por elementos com orientação específica, como caules (orientação vertical) e pendões (orientação predominantemente vertical), a transmissividade assume uma dependência bastante grande com os ângulos de orientação e com a polarização. De forma geral, ϒ(θ) decresce com o aumento do ângulo de incidência e reduz a influência do componente solo no retroespalhamento total da cultura (Ulaby et al., 1982). Brown et al. (1992) observaram que a cultura de canola apresentava maior retroespalhamento que as culturas de trigo, cevada, alpiste, ervilha e as áreas de pousio de verão. Este comportamento foi igual nas 3 bandas estudadas, X, C e L. Os autores explicam este comportamento da cultura como sendo resultado da forma (plana) e tamanho grande das folhas de canola, atuando como centro difusores diferenciados do retroespalhamento. Yun et al. (1995) detectaram pequenas variações no retroespalhamento da cultura de cana-de-açúcar para as polarizações HH, HV e VV e para as bandas C e X. Estes resultados foram explicados pelos autores como resultado da orientação aleatória do dossel da cultura, mostrando que esta cultura tem comportamento isotrópico Tamanho e forma de frutos, colmos e hastes Ulaby et al. (1982) realizaram um experimento em plantas de milho que foram desfolhadas para avaliar o efeito de outros constituintes como espigas, caules, e espigas 41

20 mais caules no retroespalhamento. Os resultados para a banda C, polarização HH e diferentes ângulos de incidência estão apresentados na Figura 2.5. Coeficiente de retroespalhamento (db) Milho - freqüência 5.1 GHz, HH a - planta sem folhas, mas com espigas e colmos b- planta normal, sem extração de partes c - solo exposto, extração total da planta Ângulo de incidência θ c a b Fig Medidas de retroespalhamento na cultura de milho com diferentes quantidades de desfolhamento. FONTE: Ulaby et al. (1982, p. 1859). Para θ 15 o e condições de desfolha total, o retroespalhamento foi dominado pela contribuição do solo. Com o aumento de θ para 30 o o retroespalhamento das plantas passou a dominar o sinal de retorno (σ o ). E para θ 30 o a contribuição de caules e espigas da planta de milho foram maiores que o σ o da planta sem nenhum desfolhamento. Isso mostra que a contribuição de colmos (caules) e espigas é significativa no retroespalhamento total, mas que a atenuação da radiação pelas folhas reduz esta contribuição a um nível igual ou até menor que o retroespalhamento das folhas. Os mesmos autores afirmaram que, para a cultura de trigo, ocorrem mudanças no comportamento do σ o com o aparecimento de pendões ou espiguetas. Os pendões, localizados na parte superior do dossel, têm fortes propriedades de atenuação da radiação, diminuindo o retroespalhamento da camada das folhas, localizada logo abaixo. Baseados nestes resultados, os modelos de retroespalhamento procuram considerar o efeito que o pendoamento das culturas pode ter sobre o σ o, criando uma nova camada de 42

21 atenuação e espalhamento composta pelos pendões na parte superior dos dosséis, assim que as culturas entram na fase de florescimento. Ulaby et al. (1984), estudando a adequação de um modelo de retroespalhamento para a cultura de trigo composta de duas camadas, uma compreendendo os pendões do trigo e outra composta por folhas e colmos, verificaram que esta divisão se adaptava melhor à cultura por considerar que as folhas e colmos de trigo teriam pouco efeito de atenuação sobre a radiação que incide sobre os pendões, já que estes estão localizadas acima daquela camada. Isto mostra que culturas com flores ou frutos, localizados sobre a camada das folhas, podem ter comportamento diferenciado de retroespalhamento. Em geral, há diminuição dos valores de retroespalhamento nesta fase, como resultado da interferência do retroespalhamento de flores e frutos Índice de área foliar, porcentagem de cobertura e biomassa Brakke et al. (1981) pesquisaram a relação entre índice de área foliar (IAF), matéria seca e retroespalhamento para as culturas do milho, trigo e sorgo com um escaterômetro nas freqüências 8,6; 13; 17 e 35,6 GHz, polarizações HH, VV e HV e ângulos de incidência 30 o, 50 o e 70 o. Os autores observaram que a correlação entre o retroespalhamento e o IAF diminuía com o aumento do ângulo de incidência, resultado da visada mais lateral do sensor, o que diminui a sensibilidade do sensor ao IAF da cultura. A maior correlação foi observada para freqüência de 13 GHz, polarização VV e ângulo de incidência de 30 o. Ao contrário do que ocorreu para o IAF a matéria seca apresentou maiores correlações para os maiores ângulos de incidência. A maior correlação foi verificada para o ângulo de incidência de 70 o, freqüência de 13 GHz e polarização HV. Eles explicaram este comportamento como fruto da maior rugosidade do dossel, resultado da maior biomassa da cultura. Juntamente com a porcentagem de cobertura das culturas, o IAF também tem relação positiva com o coeficiente de retroespalhamento (Ulaby et al., 1984). Os autores observaram, para a freqüência de 13 GHz e ângulo de incidência de 50 o, um aumento do σ o nos dosséis de milho e de sorgo para aumentos lineares do IAF até valores próximos 43

22 de 2. A partir deste ponto, mesmo com aumentos de IAF, o aumento de σ o foi praticamente nulo. Já para a cultura do trigo, a correlação permaneceu positiva até valores de IAF próximos de 9. Também foi observado que, para plantas de milho, sorgo e trigo com IAF < 0,5, ou seja, culturas nos primeiros estágios de crescimento, o σ o foi muito afetado negativamente pelo teor de umidade do solo. Na fase de desenvolvimento, o σ o foi dominado pelo comportamento das folhas e, no estágio de pré-colheita, o coeficiente de retroespalhamento foi dominado pelas contribuições do solo, hastes e espigas. Brisco et al. (1992), utilizando um escaterômetro terrestre, verificaram que as menores freqüências foram mais sensíveis à biomassa total das culturas de canola, trigo e cevada. A cultura da cevada apresenta biomassa 15 a 30% maior que a cultura do trigo e esta diferença foi detectada pelas banda C e principalmente pela banda L, ou seja, pelas bandas de menores freqüências. A porcentagem de cobertura do solo determina o grau de interferência que o solo tem no σ o da cultura (Touré et al., 1994). Desta forma, nas fases iniciais das culturas, a dominância do retroespalhamento pertence ao solo e seus fatores (teor de umidade e rugosidade superficial), diminuindo sua importância à medida em que a cultura se desenvolve, aumenta a biomassa, o IAF e a porcentagem de cobertura vegetal. A densidade de plantio ou o número de plantas por unidade de área também é outro fator relacionado com o IAF, biomassa e porcentagem de cobertura que interfere no retroespalhamento total das culturas. Brown et al. (1992) relacionaram o efeito que a folhas de canola têm sobre o retroespalhamento em função da densidade de plantio. As folhas de canola, por serem planas e grandes, provocam alto retroespalhamento. No entanto este efeito é menor quanto maior for a densidade de plantio e menor a porcentagem de cobertura das plantas. Estes autores também afirmaram que a baixa densidade de plantas da cultura do alpiste permite a reflexão da superfície do solo liso abaixo da cultura, fazendo com que estas áreas apareçam em tons mais escuros na banda L. Outro exemplo apresentado pelos autores é o efeito da diferença de densidade de plantas entre uma variedade de trigo e cevada no retroespalhamento na banda L. 44

23 Fenologia das culturas Quando se tratou dos fatores dielétricos que interferem na resposta do retroespalhamento das culturas, mostrou-se que a fenologia determina as variações temporais do teor de umidade das culturas (Brisco e Brown, 1997). Agora, no estudo da fenologia e suas relações com o retroespalhamento, além do teor de umidade será tratado as fases ou estágios das culturas durante o ciclo de crescimento e como cada uma destas fases interfere no coeficiente de retroespalhamento. Também é oportuno lembrar que os outros parâmetros geométricos tratados anteriormente (altura da cultura, IAF, porcentagem de cobertura, biomassa) também têm importância significativa no comportamento global da cultura. Brown et al. (1992) observaram que as variedades precoces têm menor retroespalhamento quando se aproximam do amadurecimento, sugerindo que a maior penetração da radiação através do dossel se deve ao menor teor de umidade. Esta maior penetração no dossel aumenta a influência do solo, diminuindo o retroespalhamento total da cultura. Eles também ressaltaram que este efeito é menos significativo nos comprimentos de onda menores, devido à diminuição do poder de penetração da radiação. Brisco et al. (1992) concluíram que a fase que vai da maturação à pré colheita é a fase em que as culturas apresentam fortes mudanças nas suas propriedades geométricas e dielétricas, sendo, portanto, uma boa época para identificação das culturas. Ulaby et al. (1984) produziram gráficos da variação temporal do retroespalhamento para as culturas de milho, trigo e sorgo e seu comportamento em função da variação do IAF. A variação do retroespalhamento tem comportamento similar à variação do índice de área foliar nas 3 culturas estudadas (Figuras 2.6, 2.7, 2.8). Na cultura do trigo de inverno cultivada no estado de Kansas (EUA), mostrada na Figura 2.6, o retroespalhamento aumenta juntamente com o aumento do índice de área foliar até o início do florescimento, onde começa a diminuição dos valores tanto do σ o e quanto do IAF. No estágio vegetativo, o aumento do σ o é função do aumento do 45

24 retroespalhamento volumétrico do dossel da cultura e da diminuição da influência do solo no retroespalhamento. No período de formação dos grãos, aproximadamente por volta do dia 165, a diminuição do σ o é resultado da ausência do retroespalhamento das folhas, já que o IAF é praticamente igual a zero mostrando a ausência de matéria verde. A partir do dia 156 do ano onde foi observado o menor valor de retroespalhamento, o novo aumento do retroespalhamento foi explicado por Ulaby et al. (1986b) como resultado da atenuação da radiação pelas espiguetas de trigo e pelo retroespalhamento duplo solo-caule de trigo. Coeficiente de retroespalhamento () mm 2-2 0,25 0,20 0,15 segundo nó 0,10 0,50 primeiro nó início do florescimento 3/4 das espiguetas formadas o Trigo de inverno - 13 GHz, VV, 50 antítese floral completa 0, Dia ano (1980) IAF caryopsis terminada início do enchimento dos grãos 10 5 Índice de área foliar - IAF ()mm 2-2 Fig Variação temporal do retroespalhamento e do IAF da cultura do trigo. FONTE: Ulaby et al. (1984, p. 119). A cultura do milho apresentou um comportamento similar do trigo (Figura 2.7). Nos estágios vegetativos, até o dia juliano 189, com o aumento da biomassa e IAF, o retroespalhamento é dominado pelo retroespalhamento das folhas, aumentando até a fase de florescimento (pendoamento). A partir desta data, o retroespalhamento diminui gradativamente até a colheita. Neste segundo período o retroespalhamento é atenuado pelos pendões da cultura presentes entre os dias 190 a 205. A partir do dia 205 até o final do ciclo, o retroespalhamento passa a ser dominado pelo retroespalhamento do solo e pela atenuação das espigas e caules, já que o IAF está diminuindo gradativamente. 46

25 A cultura do sorgo (Figura 2.8) tem um comportamento diferenciado do trigo e do milho basicamente por permanecer mais tempo com massa verde até os estágios finais do ciclo. No entanto, do início do ciclo até a nona folha, o comportamento é similar ao do trigo e do milho: o crescimento do IAF e do dossel domina o retroespalhamento. Com o início do florescimento, o IAF atinge o seu valor máximo e o retroespalhamento se estabiliza neste patamar. As variações no σ o são resultados das mudanças do domínio das partes das plantas sobre o retroespalhamento. O retroespalhamento só começa a diminuir de valor quando se aproxima da colheita e mesmo assim o decréscimo não é acentuado, já que a cultura permanece com grande quantidade de massa verde no fim de seu ciclo. Coeficiente de retroespalhamento ()mm 2-2 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 quarrta folha sétima follha sexta folha décima terceira folha - pendoamento Dia do ano (1980) o Milho - 13 GHz, VV, 50 IAF final do enchimento dos grãos colheita Índice de área foliar - IAF ()mm 2-2 Fig Variação temporal do retroespalhamento e do IAF da cultura do milho. FONTE: Ulaby et al. (1984, p. 119). Paris (1986) também observou variações temporais do retroespalhamento do milho semelhantes às apresentadas por Ulaby et al. (1984). A Figura 2.9 apresenta o gráfico do retroespalhamento da cultura do milho na freqüência 17 GHz, no ângulo de incidência de 50 o e nas polarizações HH e VV. É possível observar que os picos de retroespalhamento são praticamente os mesmos. Os picos dos dias julianos 190 e 230 o pico se referem ao início do pendoamento e ao enchimento completo do grãos, respectivamente. 47

26 2-2 Coeficiente de retroespalhamento ()mm Índice de área foliar - IAF ()mm 2-2 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 quarrta folha quinta folha sexta folha nona folha florescimento início do enchimento de grãos 0, Dia do ano (1980) o Sorgo - 13 GHz, VV, 50 final do enchimento de grãos IAF colheita Fig Variação fenológica e temporal do retroespalhamento e do IAF da cultura do sorgo. FONTE: Ulaby et al. (1984, p. 120). Le Toan et al. (1997) estudaram a evolução temporal do retroespalhamento na cultura do arroz irrigado, na Indonésia e no Japão. O estudo mostrou que durante os 120 dias de desenvolvimento da cultura (do transplante até a colheita), o σ o é resultante das interações múltiplas entre a vegetação e a água. O aumento da vegetação (densidade, altura e biomassa) eleva a resposta do radar. Durante a fase reprodutiva, onde não ocorrem mudanças significativas na fitomassa, altura e densidade, o retroespalhamento permanece estável. No final do ciclo (fase de amadurecimento), ocorre uma pequena diminuição do σ o, correspondente à diminuição do teor de umidade da planta antes da colheita. Depois da colheita normalmente os campos são abandonados inundados permanecendo com valores baixos de σ o. Liew et al. (1998) estudaram a cultura do arroz com dados do ERS-1 e Radarsat, modo Standard (S6), e verificaram que os coeficientes de retroespalhamento tiveram variações temporais semelhantes nas duas plataformas. Nas fases iniciais, o retroespalhamento foi baixo, como era esperado, em virtude da reflexão especular da água. À medida em que a cultura se desenvolvia, o retroespalhamento foi geralmente mais alto nas imagens Radarsat, provavelmente devido ao seu maior ângulo de incidência e à polarização HH. As imagens Radarsat se mostraram mais sensíveis ao arroz nos estágios iniciais. Novamente, o efeito maior do retroespalhamento duplo (double bounce) entre a 48

27 superfície inundada e as plantas de arroz (com orientação vertical) no sensor com polarização horizontal do Radarsat justificam a sua maior sensibilidade nas fases iniciais de desenvolvimento da cultura e os valores maiores de retroespalhamento. Nas fases finais, o retroespalhamento aumenta com o aumento da biomassa para a polarização VV do ERS-1 e ocorre saturação no final do estágio reprodutivo. Assim, para as imagens Radarsat resultou respectivamente em um aumento rápido do retroespalhamento nas fases iniciais do desenvolvimento da cultura e num aumento lento, nos estágios finais. Este fato foi explicado pelos autores como resultado da menor sensibilidade do sensor ao aumento da fitomassa e à diminuição da reflexão especular da água no início do desenvolvimento da cultura. 0, Coeficiente de retroespalhamento (mm) 0,20 0,14 0,10 0,06 o Milho - 17 GHz, 50 VV HH 0, Dia do ano (1980) Fig Variação temporal do retroespalhamento da cultura do milho. FONTE: Paris (1986, p. 88). Ribbes e Le Toan (1998) mostraram que o retroespalhamento da cultura do arroz estudada com imagens Radarsat teve uma relação quasi-linear com o aumento da altura e da biomassa até 80 dias após a semeadura. A partir dos 100 dias o retroespalhamento permaneceu aproximadamente constante, em virtude da estabilização da altura e da biomassa das plantas. Elas também verificaram a maior sensibilidade do Radarsat nas fases iniciais do desenvolvimento, quando comparado com dados do ERS-1, devido ao 49

28 comportamento atenuador da polarização HH do Radarsat em relação à arquitetura das plantas de arroz Espaçamento e direção de plantio das culturas Ulaby et al. (1986b) afirmaram que as polarizações paralelas HH e VV, quando comparadas com as polarizações cruzadas HV, são mais sensíveis à direção das linhas de plantio, tanto para solos expostos quanto para áreas com cobertura vegetal. Em um outro estudo, os mesmos autores estudaram a cultura do trigo em um sistema de linhas de plantio contíguas, na forma de quadrados inseridos uns dentro dos outros para observar como estas áreas iriam aparecer em imagens de radar aerotransportado na banda L e polarização VV. As áreas com linhas de plantio perpendiculares ao sentido do imageamento apareceram bastante claras e as áreas com sentido paralelo apareceram em tons escuros. A influência da direção de plantio das culturas sobre o σ o é maior para ângulos de incidência menores que 25 o, freqüências menores, da ordem de 1 GHz e polarizações paralelas HH e VV (Paris, 1983; Ulaby e Bare, 1979). Schotten et al. (1995) afirmaram que as linhas de plantio presentes nas culturas de milho e trigo produziram assinaturas de retroespalhamento diferentes, causadas pela direção de visada do sensor. Ressaltaram ainda, que esta sensibilidade às linhas de plantio não é perceptível em culturas com dossel mais homogêneo como as beterrabas açucareiras Rugosidade A rugosidade de um alvo pode ser descrita através do desvio padrão da altura média (altura RMS) e distância de correlação (L). A altura RMS representa a variação dos valores de altura de um perfil da superfície. A distância de correlação representa a estimativa estatística da independência entre dois pontos da superfície (Ulaby et al., 1982). A representação acurada da rugosidade no campo é difícil, principalmente para culturas agrícolas heterogêneas. Alguns autores têm tentado desenvolver métodos de medição da 50

29 rugosidade em campo, de forma a permitir uma melhor modelagem de seus efeitos sobre o coeficiente de retroespalhamento e a caracterização de alvos quanto à rugosidade (Johnson et al., 1993; Beaulieu et al., 1995). Ulaby et al. (1982) afirmaram que os dosséis têm comportamento dinâmico, apresentando variações temporais significativas na morfologia das plantas e de seus constituintes e, conseqüentemente, gerando uma variação elevada no coeficiente de retroespalhamento. Ulaby et al. (1978) mostraram como o σ o diminui rapidamente com o aumento da rugosidade à nadir, e este decréscimo é mais acentuado para freqüências baixas. Para um ângulo de incidência de 10 o, o σ o mostra-se pouco dependente da rugosidade. Para o caso de ângulo de incidência de 20 o, há uma inversão da relação, ou seja, o aumento da rugosidade resulta no aumento de σ o. As maiores variações no σ o ocorreram para superfícies lisas com rugosidade de 1,0 a 2,0 cm de altura RMS. Brown et al. (1984), pesquisando a possibilidade de separar trigo, cevada, canola, ervilha e pousio com um radar aerotransportado operando na banda C, polarizações HH, HV e VV, e ângulo de incidência de 45 0, obtiveram baixa separação entre o pousio e culturas de grãos (trigo mais cevada), quando o pousio era bastante rugoso. Porém, quando a área de pousio apresentava baixa rugosidade, foi possível separar as duas classes. 51

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31 CAPÍTULO 3 DISCRIMINAÇÃO DE CULTURAS NA FAIXA DE MICROONDAS A discriminação e o monitoramento de culturas agrícolas são informações de grande valor para a comunidade agronômica. Neste sentido, esforços têm sido feitos para o desenvolvimento de ferramentas que auxiliem na separação dos diferentes tipos de culturas agrícolas e na avaliação dos seus estágios de desenvolvimento. O imageamento com sistemas operando na faixa de microondas possibilitou a eliminação de um dos problemas ao efetivo monitoramento e discriminação das culturas, que é a cobertura de nuvens na época de crescimento das culturas. Como as plataformas operando nesta faixa do espectro são relativamente novas, os estudos com este tipo de sensor orbital estão em fase de desenvolvimento. Radarsat possui apenas 3 anos de operação e muitos do seus recursos ainda não foram completamente explorados para aplicações em agricultura. 3.1 HISTÓRICO DOS SISTEMAS SENSORES DE RADAR E APLICAÇÕES EM AGRICULTURA A análise da possibilidade de discriminar culturas com sensores ativos de microondas começou na década de 60 com uma série de missões com radares aerotransportados e escaterômetros (Sardar, 1997). Dentre elas inclui-se o RADAMBRASIL, um radar aerotransportado na banda X que recobriu a região amazônica, fornecendo dados para o mapeamento da floresta e do uso da terra, entre outros (Way e Smith, 1991). No ano de 1978, com o lançamento do Seasat, a primeira plataforma orbital de radar de abertura sintética (SAR), iniciou-se uma nova era na observação de recursos terrestres por sensores remotos orbitais. A missão Seasat, embora tenha operado por apenas quatro meses, mostrou ser útil para o monitoramento de áreas agrícolas, abrindo caminho para outras missões utilizando a faixa de microondas, (Ulaby et al., 1982, 1986a). As missões subseqüentes foram as Shuttle Imaging Radar (SIR-A e B), destinadas prioritariamente ao desenvolvimento de tecnologia SAR e aos estudos sobre a interação das propriedades biofísicas e geofísicas com a radiação de microondas, mas também vieram a contribuir para as aplicações de microondas no monitoramento de 53

32 culturas agrícolas (Sardar, 1997; Soares et al., 1997). A Tabela 3.1 apresenta as principais missões orbitais de radar e suas características. No início da década de 80, missões aerotransportadas (AgriSAR e MAESTRO- 1/AGRICASTT) também foram realizadas para estudos do retroespalhamento de alvos terrestres na faixa de microondas e de processamento digital de imagens. Já na década de 90, um destes programas foi o GlobeSAR-1, que obteve imagens de diversas regiões do globo através de um radar aerotransportado simulador do Radarsat (Brown et al., 1996; Yun et al., 1995), mostrando excelentes resultados para o monitoramento de culturas, como o arroz irrigado. A Agência Espacial Européia, o Japão, a Rússia e o Canadá também construíram plataformas orbitais SAR neste período. As primeiras a serem lançadas foram a Almaz da Rússia e o European Remote Sensing Satellite (ERS-1 SAR) da Agência Espacial Européia (ESA), seguidas pela Japanese Earth Resource Satellite - JERS-1 SAR da NASDA. Por último, foi lançado o Radarsat da Agência Espacial Canadense (Tabela 3.1). Desde o lançamento do ERS-1, vários projetos foram criados para avaliar a aplicação desses dados no mapeamento de culturas e no monitoramento temporal das suas condições, sendo obtidos excelentes resultados para cultura de arroz irrigado no Japão, Tailândia e Indonésia (Kurosu et al., 1997; Le Toan et al., 1997). Os resultados do mapeamento utilizando imagens JERS também foram promissores para as culturas de dendê e seringueira (Rosenqvist, 1996b). Pesquisas também foram desenvolvidas com o surgimento do projeto Radarsat, visando avaliar as novas potencialidades apresentadas pela possibilidade de variações de ângulo de incidência e resolução espacial (Ahmed et al., 1989). Grupos de pesquisas em aplicações para a agricultura utilizando imagens simuladas e, após o lançamento, imagens reais do Radarsat, avaliaram as possibilidades de discriminação de alvos agrícolas e monitoramento de culturas (Brown et al., 1992; Brisco et al., 1992; Yun et al., 1995; Anys e He, 1995a, b; Ban et al., 1995; D Iorio et al., 1995; Ribbes e Le Toan, 1998). 54

33 Mesmo antes do lançamento do Radarsat o governo canadense tinha projetos de mapeamento de culturas como o projeto Crop Information System (CIS) em Após o lançamento do satélite, as informações obtidas com o Radarsat passaram a ser agregadas ao banco de dados. TABELA 3.1. DESCRIÇÃO DAS PRINCIPAIS MISSÕES UTILIZANDO MICROONDAS Missão Lançam. Duração Altitude Polarização θ Resolução Banda SeaSAT 6/78 3 meses 794 km HH 23 o 25 m L SIR-A 11/81 5 dias 252 km HH 40 o 40 m L SIR-B 10/84 8 dias 250 km HH o m L Almaz 3/91 2 anos 300 km HH o m S ERS-1 7/91 3 anos 785 km VV 23 o 25 m C JERS-1 2/92 3 anos 570 km HH 33 o 25 m L SIR-C dias 225 km HH,HV,VH,VV o 30 m L,C,X ERS anos 780 km VV 23 o 25 m C Radarsat 11/95 5 anos 798 km HH o m C Adaptada de Kuplich (1994). Satélites com características multipolarimétricas e multifreqüenciais e outros satélites das missões JERS e Radarsat são aguardados para os próximos anos com novas tecnologias de imageamento na faixa de microondas, abrindo mais possibilidades de aplicações em agricultura CARACTERIZAÇÃO DAS CULTURAS ESTUDADAS Normalmente o ciclo das principais culturas anuais de sequeiro está, normalmente, compreendido entre outubro e maio, ou seja, no período de maior precipitação pluviométrica e, conseqüentemente, com maior índice de cobertura de nuvens. Isto explica porque tanto se espera das imagens de radares orbitais para o monitoramento e mapeamento de culturas. Além disso, os ciclos (datas de plantio e colheita) das culturas encontradas na área de estudo determinam variações temporais no índice de área foliar (IAF), volume de fitomassa e porcentagem de cobertura do solo, possibilitando e facilitando a separação entre elas. A variação destes fatores e outros, como a direção de 55

34 linha de plantio fornecem a base para o entendimento e a discussão do comportamento apresentados pelos talhões nas imagens. O algodão caracteriza-se por possuir um ciclo de crescimento longo, quando comparado à outras culturas de cereais. Possui características morfológica e agronômicas diferentes da maioria das culturas de cereais (Abraão et al., 1988). Suas folhas são latifoliadas, espessas e distribuídas circularmente pelo caule principal. Sua arquitetura erecta também lhe confere características peculiares de estrutura. A área plantada com a cultura no Estado de São Paulo é pequena, basicamente em função do ciclo de plantio ser restrito aos meses de outubro e novembro. As condições climáticas exigidas pela cultura, que demanda alta quantidade de água na fase de florescimento e frutificação, obriga os produtores a plantá-la no início de novembro para que a fase de florescimento e frutificação caia exatamente nos meses de maior precipitação e a fase de maturação ocorra em período de menor precipitação (Abraão et al., 1988). A cana-de-açúcar é uma gramínea semi-perene, do gênero Saccharum, apresentando várias espécies cultivadas. As variedades atualmente cultivadas no Brasil são quase todas híbridas, resultado do melhoramento genético entre estas várias espécies. Estas variedades apresentam características distintas quanto ao valor de biomassa total, arquitetura da planta, forma, tamanho e orientação das folhas, ciclo de crescimento e teor de açúcares e umidade total, de forma que cada variedade pode apresentar assinaturas espectrais diferentes na faixa de microondas. Em São Paulo o cultivo da cana-de-açúcar é feito em dois ciclos, um de 12 meses do plantio à colheita e outro de 18 meses. O plantio da cana-de-açúcar de ano e meio acontece nos meses de janeiro, fevereiro e março e, para a cana-de-açúcar de ano, em setembro e outubro, segundo Copersurcar (1990). A colheita ocorre no ano seguinte, a partir do mês de maio e concentra-se nos meses de junho, julho, agosto e setembro. Nesse sistema, a cultura é denominada cana planta até a primeira colheita. Posteriormente, passa a ser denominada cana soca, rendendo mais três ou quatro colheitas consecutivas (Alfonsi et al., 1987). 56

35 O feijão é uma planta herbácea com ciclo vegetativo é curto, variando de 61 a 110 dias. O Estado de São Paulo apresenta condições climáticas favoráveis para produzir feijão durante o ano todo, dependendo das práticas culturais a serem adotadas. O feijoeiro é sensível aos excessos de chuva e calor, e não tolera a escassez de água e a ocorrência de temperaturas muito baixas; assim, as melhores épocas para o cultivo da cultura são na primavera (setembro-outubro) e no verão (fevereiro-abril). Desta forma, os cultivos de feijão são divididos em duas épocas principais de plantio: a chamada das águas, cujo plantio se concentra em setembro-outubro, e a da seca cujo plantio é feito em fevereiromarço. A produção no período da seca será variável de acordo com as possibilidades de irrigação. O milho é uma gramínea anual, cujas variedades cultivadas em São Paulo exigem a existência de verões quentes e úmidos, que estimulem o desenvolvimento e a frutificação das plantas, seguidas de estações secas que auxiliem na colheita e armazenamento do produto. O plantio de milho na região de Campinas ocorre principalmente nos meses de setembro-outubro e novembro, enquanto que a colheita se processa nos meses de abril, maio e junho. É possível plantar tomate estaqueado durante o ano inteiro no Estado de São Paulo. Na época quente e chuvosa, porém, o tomateiro está mais sujeito aos ataques de doenças fúngicas e bacterianas, cujo controle encarece a produção (Pinto e Casali, 1980). A principal época para o plantio da cultura na região de Sumaré se dá de janeiro a março, podendo ocorrer ainda plantios também até o mês de maio. Da mesma forma que para a cultura do feijão, a produção no período da seca será dependente da irrigação. 3.3 DISCRIMINAÇÃO DE CULTURAS As variações do retroespalhamento de uma cultura e entre culturas são devidas às mudanças nas propriedades dielétricas e geométricas do dossel, como se discutiu no Capítulo 2. Estas propriedades mudam com o tempo, com as condições ambientais e com o estágio fenológico e fisiológico das plantas, podendo gerar características 57

36 diferenciadoras entre culturas a partir de dados multitemporais como destacaram Brown et al. (1984). Além disso, outras informações referentes às culturas, tais como o conhecimento do calendário agrícola, histórico da área de estudo e dados de umidade do solo auxiliam no processo de discriminação das culturas. Oliver e Quegan (1998) utilizaram gráficos multitemporais de retroespalhamento para determinar o momento e as características que permitiriam a separação entre trigo de inverno e beterraba açucareira, a partir dos seus comportamentos ao longo de um ano agrícola. O comportamento das culturas está mostrado na Figura 3.1, onde os dados foram coletados em Flevoland (Holanda), partir de dados gerados pelo ERS-1. Eles concluíram, baseados nas análises gráficas que as duas culturas eram melhor separáveis entre os meses de junho e agosto, onde houve um diferença de 5-7 db nas assinaturas de retroespalhamento. Os resultados mostraram boas possibilidades de classificação das duas culturas. Porém, as análises destes mesmo gráficos para as culturas do trigo e da cevada mostraram grande semelhança no comportamento das duas culturas, o que dificultaria bastante a separação e classificação destes tipos de culturas. A escolha da melhor combinação de datas que maximize a discriminação das culturas é um problema a ser considerado, a fim de se obter a máxima separação entre as culturas. Abordando este problema Brisco et al. (1984) afirmaram que sincronizar o calendário agrícola com as datas das imagens aumentou em 10% a exatidão do mapeamento das culturas de grãos (milho, trigo, cevada e sorgo) e de feno. Foody et al. (1989) usando dados aerotransportados multitemporais (banda X-3,2 cm, HH, o ) também chegaram a conclusões similares às apresentadas por outros autores, afirmando que a escolha das datas das imagens com base no calendário agrícola é de suma importância para a boa separação das culturas. 58

37 0 Trigo de inverno - ERS-1 Coeficiente de retroespalhamento (db) Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Coeficiente de retroespalhamento (db) Beterraba açucareira - ERS-1-20 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Fig Série temporal de valores médios de retroespalhamento em áreas de trigo e beterraba obtidos pelo ERS-1 em Flevoland (Holanda) em FONTE: Oliver e Quegan (1998, p. 419). Fischer e Mussakowski (1989) observaram que a utilização de dados multitemporais melhorou significativamente a identificação das culturas de milho, soja, trigo, fumo e centeio, com imagens aerotransportadas multitemporais na banda C e X, polarização HH e VV com ângulos de incidência (nadir, grande e pequeno). A utilização de cinco datas diferentes de imagens permitiu que na última imagem as culturas fossem melhor 59

38 discriminadas em função dos diferentes estágios de maturação de cada uma das culturas e das informações de desenvolvimento das culturas apresentadas nas outras imagens. Schotten et al. (1995) afirmaram que a utilização de composições coloridas multitemporais permitiu inclusive a interpretação visual dos dados. Eles apontam para o problema da escolha das datas que melhor captem as diferenças das culturas permitindo que a discriminação seja a melhor possível. Para a solução deste problema os autores propõem a utilização de gráficos com o comportamento temporal do retroespalhamento das culturas para que se possa determinar qual a fase e a data em que as culturas apresentam comportamento diferentes. Foody et al. (1989) também utilizaram gráficos da variação multitemporal do retroespalhamento para verificar qual a melhor época para a escolha de imagens e para relacionar a fenologia das culturas com a sua possibilidade de discriminação. Estes autores usando dados do projeto AgriSAR (X-3,2 cm, HH, o ) analisaram gráficos dos perfis de retroespalhamento em função do tempo/fenologia das culturas que permitiram aos autores afirmar que as culturas da cenoura, da beterraba, da batata, dos pastos e cereais poderiam ser discriminadas com boa exatidão nas duas últimas imagens, por volta do dia juliano 210 e 225. Como pode ser observado na Figura 3.2 na terceira data é possível separar a batata da beterraba; e na última imagem é possível discriminar a beterraba dos cereais, da batata, das cenouras e dos pastos. A utilização de gráficos baseados nos intervalos de confiança das diversas classes de uso da terra pode nortear os processos de classificação digital de imagens (Kurosu et al., 1997; Foody et al., 1989). Baseados na sobreposição dos intervalos de confiança é possível definir estatisticamente o número de classes distintas, de forma a agrupar classes com as mesmas características, eliminando a confusão destas classes na classificação. Schotten et al. (1995) afirmaram que tanto a média quanto o desvio padrão do retroespalhamento podem determinar as possibilidades de discriminação de culturas, quando se utilizar classificadores de máxima verossimilhança. Afirmaram que, baseados em gráficos temporais da média e desvio padrão do retroespalhamento, que a melhor 60

39 data para a separação de nabo de inverno, de cevada de primavera usando imagens ERS-1 foi entre meados de maio e meados de julho. De forma que a seleção das melhores datas para aquisição de imagens e para a coleta de amostras de treinamento pode ser baseada neste tipo de gráfico. A determinação das melhores datas para a escolha de imagens também é citada por Le Toan et al. (1997) como uma das aplicações deste tipo de metodologia baseada gráficos de intervalos de confiança dos valores de retroespalhamento Coeficiente de retroespalhamento (DN) o AgriSAR - banda X (3,2 cm), HH, 46 beterraba açucareira batata cevada de primevera trigo da primavera trigo de inverno cenoura pastagem Dia do ano (1986) Fig Gráfico da variação temporal do retroespalhamento para diferentes culturas e a possibilidade de discriminação. FONTE: Foody et al. (1989, p. 25). Brisco et al. (1992), utilizando um escaterômetro terrestre nas bandas Ku, C e L nas polarizações HH, VV e HV, estudaram a variação temporal do retroespalhamento da cevada, trigo, canola e pousio de verão e verificaram que as semanas 29 e 30 do ano de 1987 (15 a 30 de julho) foram as melhores semanas para a discriminação de culturas, não sendo adequados os meses de maio, junho e agosto. Este período foi melhor porque corresponde à fase de maturação das culturas, estágio onde as propriedades dielétricas e 61

40 geométricas de cada cultura são bastante diferentes. Nas fases iniciais de desenvolvimento o retroespalhamento tem forte influência das propriedades do solo mascarando as diferenças entre as culturas. O efeito que aspectos ambientais tem sobre o retroespalhamento e a separabilidade de culturas também é um ponto importante a ser levado em consideração. Brisco et al. (1989) afirmaram que a separação de culturas pode ser melhorada em condições umidade no dossel como orvalho ou gota de chuva e em área de diferentes teores de umidade no solo como áreas irrigadas e não irrigadas. Entretanto, a umidade do solo é um fator que normalmente atrapalha a separação de culturas, pois sua distribuição espacial não é uniforme no terreno provocando efeitos diferenciados nas culturas e nos diferentes talhões. Paris (1983) observou que a discriminação das culturas de milho e soja foi muito melhor em condições de solo seco para a banda C com um escaterômetro terrestre. Em condições de solo úmido, resultados significativos foram alcançados utilizando-se a técnica de despolarização. D Iorio et al. (1995) afirmaram que a resolução espacial do Radarsat não interferiu significativamente na discriminação de áreas com arroz irrigado em estágios iniciais, culturas frutíferas (pomares) e seringueiras. Porém, Ribbes e Le Toan (1998) observaram que o modo Standard S1 foi mais adaptado ao monitoramento de arroz irrigado em áreas da Indonésia que o modo Fine F3. Do mesmo modo que dados multi ou hiperespectrais para sensores óticos, a utilização de imagens multifreqüência e multipolarização é aconselhada para aumentar o número de dados disponíveis para a discriminação das culturas (Paris, 1983; Anys e He, 1995b; Rennó, 1995). Paris (1983) usou duas bandas para conseguir separar milho de soja com 2 tipos de direção de plantio, criando uma fronteira de decisão para separar as duas culturas. O autor afirma que, por estas duas culturas terem estruturas bastante distintas, a separação é facilitada pelas diferenças de polarização e poder de penetração das bandas C e L. 62

41 Thomson et al. (1990), estudando a correlação ente as bandas C e X de um radar aerotransportado, mostrou que a baixa correlação entre seus dados produzia uma composição colorida com informações mais significativas que as imagens das bandas separadamente, melhorando a capacidade de mapear culturas. 63

42 64

43 CAPÍTULO 4 MATERIAL E MÉTODOS 4.1. DESCRIÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO A microbacia estudada neste trabalho localiza-se no município de Sumaré, no centro do Estado de São Paulo, entre as coordenadas S 22 o 54'52" a 22 o 47'40" e O 47 o 20'23"a 47 o 20'16" (aproximadamente de 7466 a 7476 kmn e 260 a 268 kml UTM), proveniente do Córrego Pinheirinho, e ocupa uma área de 26 km 2, ou seja 2600 hectares. Este ribeirão é afluente direto do Rio Atibaia e, portanto, pertence à Bacia do Rio Piracicaba. A Figura 4.1 mostra esquematicamente a localização da microbacia no Estado de São Paulo. As principais razões para a escolha desta microbacia foram a existência de trabalhos prévios desenvolvidos na área (Fernandez, 1996), garantindo o conhecimento da dinâmica histórica do uso da terra e a proximidade do INPE, facilitando a coleta de dados e os trabalhos de campo. Além disso, ao lado desta microbacia localiza-se uma das microbacias-piloto de monitoramento ambiental do Estado de São Paulo, a microbacia do Córrego Taquara Branca, monitorada constantemente pela EMBRAPA (EMBRAPA, 1997). A microbacia foi dividida em talhões segundo o uso da terra, totalizando 204, com uma área média de 8 a 15 hectares. As exceções são duas áreas irrigadas com pivô central de 50 e 80 hectares. A Figura 4.2 mostra a divisão dos talhões na microbacia. Sendo que a área média dos talhões era pequena (menor talhão possuía 125 pixels), buscou-se trabalhar com os maiores talhões para cada um dos usos da terra, descartando os de áreas menores e não representativos. O uso agrícola caracteriza-se por extensas áreas de cana-de-açúcar e milho, áreas pequenas de tomates, áreas de pastagens nas regiões mais declivosas e de várzeas, poucas áreas de algodão e feijão, áreas localizadas de reflorestamento de eucalipto e outras de mata nativa e mata ciliar. As Figuras C1, C2 e C3 do Apêndice C são os 65

44 mapas de uso da terra obtidos a partir de trabalhos de campo nas datas de passagens do Radarsat. No maior pivô central, talhão número 42, foi plantado milho e no outro, talhão número 18, foi plantada cana-de-açúcar. Grande parte das áreas com tomate são irrigadas com sistema de irrigação por sulcos, causando padrão singular desta cultura em imagens de sensores na faixa de microondas. Nos meses de inverno aparecem áreas de pousio, posterior ao plantio da batata, tomate e pepino. Fig Localização da área de estudo, destacando os limites da microbacia do Córrego Pinheirinho. 66

45 N b a ` Fig Mapa da divisão dos talhões, dentro da microbacia estudada. 67

46 Durante todo o ano áreas de solo exposto e áreas de solo preparado para a implantação das culturas estão dispersas por toda a microbacia. O calendário agrícola de algumas culturas da microbacia tipicamente utilizado na região está mostrado na Figura 4.3. Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Algodão Algodão Tomate Tomate Cana-de-açúcar (ano e meio) Cana-de-açúcar (ano) Cana-de-açúcar Milho 1 a safra Milho 1 a safra Feijão 1 a safra Feijão da seca Feijão da seca Feijão 1 a safra Feijão 1 a safra Fig Calendário agrícola regional: colheita: ; corte de cana-de-açúcar: ; plantio:. A região é caracterizada por chuvas concentradas nos meses de outubro a março, correspondendo a aproximadamente 80% das precipitações anuais, que são em média de 1200 a 1500 mm/ano. Nesses meses concentra-se boa parte das atividades agrícolas. O clima foi classificado por Oliveira et al. (1979), segundo Köppen, como mesotérmico de inverno (Cwa). A Tabela 4.1 mostra os dados pluviométricos dos dias que antecederam a passagem do Radarsat, indicando os possíveis efeitos da umidade do solo e da cultura na constante dielétrica dos alvos. Quanto aos aspectos pedológicos, a microbacia tem predominância de Latossolos Vermelho Escuros - LE, Latossolo Húmico - LH, Latossolo Roxo - LR, e Podzólico Vermelho Amarelo - PV (Oliveira et al., 1979). A topografia da região é suave ondulada, apresentando poucas áreas de várzeas. As diferenças de cotas máximas e mínimas não ultrapassam 150 m, com cota mínima de 540 m, aproximadamente nas coordenadas UTM 266 kml e 7474 kmn e cota máxima de 665 m, próxima às coordenadas UTM 264 kml e 7466 kmn. 68

47 O comportamento desta classe seria determinado primeiramente pelo teor de umidade do solo e em segundo lugar pela rugosidade para a banda C para de ângulos de incidência menores que 30 o (Dobson e Ulaby, 1981). Como a umidade dos solos nas três datas não era alta (Tabela 4.1) e o ângulo de incidência das imagens foi relativamente grande (43-45 o ), consideramos a sua importância secundária (Major et al., 1993). TABELA 4.1 DADOS PLUVIOMÉTRICOS NOS DIAS DE IMAGEAMENTO Imagem Data Precipitação (mm) 03/jan/ /jan/98 04/jan/ /jan/98 1,2 20/fev/98 19,6 22/fev/98 21/fev/ /fev/ /mar/ /mar/98 17/mar/ /mar/98 0 Estação Meteorológica Automática de Nova Odessa (1998) DESCRIÇÃO DO RADARSAT O projeto da plataforma Radarsat (Tabela 4.2) foi inicialmente proposto para aplicações em glaciologia e em oceanografia ártica, desta forma a freqüência e a polarização do sistema foram escolhidas para estas aplicações. Um conjunto de sete diferentes tipos de feixes de transmissão permite um número grande de ângulos de incidência e faixas de imageamento. As resoluções também são ajustáveis em função da aplicação, permitindo a obtenção de vários tipos de imagens (Tabela 4.2 e Figura 4.4). A visada da antena sempre é feita à direita às 18 horas na visada ascendente e às 6 horas no modo descendente, horário local. A órbita descrita pelo Radarsat é circular, quasi-polar e solar síncrona, com período de 101 minutos, perfazendo um total de 14 órbitas por dia. Devido às características da órbita e das baterias utilizadas, o sensor tem capacidade de operar imageando por 28 minutos em cada órbita. A inclinação da órbita é de 98,6 o em relação ao Equador. Em média, o período de revisita é de 24 dias com uma variação possível de 24 horas a 24 dias dependendo do ângulo de visada e da latitude da região imageada (Tabela 4.3). 69

48 TABELA PARÂMETROS DE IMAGEAMENTO DO RADARSAT Parâmetros Especificações Freqüência 5,3 GHz Comprimento de onda 5,6 cm - banda C Polarização HH Ângulo de incidência 10 o a 60 o Resolução em range (produtos em ground range) 8 a 100 m Resolução em azimute (produtos em ground 8 a 100 m range) Resolução temporal 24 dias Faixa de imageamento 50 a 500 km Número de órbitas por dia 14 Altitude 798 km Inclinação da plataforma 98, 6 o Órbita Circular, quasi-polar, sol síncrona Tamanho da antena 15 x 1,5 m Vida útil 5 anos RSI (1995). Geralmente, as imagens geradas e distribuídas para os usuários são imagens amplitude, ou seja, a imagem resultado da detecção linear quantizada em 16 bits, em projeção ground-range e com a correção do padrão da antena já previamente feita. Os diversos autores que vêm pesquisando aplicações do Radarsat em agricultura afirmam que as características da plataforma para aplicações em agricultura são amplas, permitindo obtenção de informações para vários setores das ciências agrárias, que vão do mapeamento de culturas à conservação de solo, da estimativa do teor de umidade do solo a estimativas de produção e produtividade, passando pelo monitoramento de microbacia e hidrologia (Brown et al., 1993). TABELA MODOS DE IMAGEAMENTO DO RADARSAT Modo Resolução 1 Número de looks Largura da faixa 2 Âng. de incidência 3 Standard 25 x Wide (1) x Fine 8-9 x ScanSAR (N) 50 x ScanSAR (W) 100 x Extended (H) 25 x Extended (L) 25 x Resolução em range x azimute em metros. 2. Largura da faixa imageada em km. 3. Ângulo de incidência em graus ( o ) CCRS (1999a). 70

49 Fig Modos de Imageamento do Radarsat. FONTE: CSA (1999). Segundo Brisco e Brown (1997) as imagens Radarsat são indicadas para estimativas do teor de umidade do solo e discriminação de culturas de biomassa elevada e não indicadas para estudos quantitativos da biomassa das culturas, em função das características da freqüência de operação, banda C-5,6 cm/5,3 GHz. A polarização HH, segundo Ulaby et al. (1986b), não é tão adequada à discriminação por sofrer menor atenuação e fornecer menor quantidade de informação sobre as culturas e maiores informações do solo. A possibilidade de variação do ângulo de incidência e da resolução espacial permite uma maior possibilidade de uso das imagens no setor agrícola. Com ângulos de incidência menores é possível obter informações do teor de umidade do solo e ângulos maiores contêm mais informações do volume de biomassa da cultura. O modo standard é aconselhado para a estimativa de área plantada e mapeamento de culturas e o modo fine é aplicável com maior propriedade ao monitoramento de culturas e de suas condições fenológicas e sanitárias (Brown et al., 1993). Major et al. (1993) afirmaram que as características do sensor do Radarsat (banda C, HH, ângulos de incidência variáveis) são bastante adequadas para o monitoramento das condições do solo - umidade, rugosidade e porcentagem de cobertura do solo, permitindo planejamento de ações eficientes de combate à erosão. Além disso os autores ainda indicaram a boa possibilidade de mapeamento de áreas cultivadas, abandonadas e de solo exposto preparado para o plantio de culturas, permitindo estudos de previsão de safras. 71

50 O tempo de revisita dos seus diferentes modos de imageamento e ângulos de incidência também fornece boas possibilidades para o monitoramento das culturas a partir de dados multitemporais com curto intervalo de tempo, podendo melhorar significativamente as classificações de culturas (Brown et al., 1993) Imagens Radarsat Neste trabalho foram utilizadas três imagens Radarsat, datadas de 05 de janeiro, 22 de fevereiro e 18 de março de Todas as três imagens foram obtidas no modo Fine, beam F4. Todas as imagens são de passagens descendentes, por isso recobrem a área nas primeiras horas da manhã (Tabela 4.4), no sentido leste/oeste, transversal à microbacia. As imagens foram adquiridas no formato amplitude, em 16 bits e com um look de processamento. A Figura 4.5 apresenta a composição colorida multitemporal das três imagens. Sendo a imagem de janeiro representada no canal R (vermelho), a imagem de fevereiro no canal G (verde) e a imagem de março no canal B (azul). TABELA CARACTERÍSTICAS DAS IMAGENS RADARSAT UTILIZADAS NO TRABALHO Modo Fine F4D Fine F4D Fine F4D Data 05/01/98 22/02/98 18/03/98 Ângulo de incidência 43,8 45,6 43,8 45,6 43,8 45,6 Número de Looks Horário de passagem 6:28 hs 6:28 hs 6:28 hs Dimensões do pixel 9x7 9x7 9x7 RSI (1998). 4.3.TRABALHOS DE CAMPO Simultaneamente às passagens do Radarsat realizaram-se trabalhos de campo visando ao levantamento do uso da terra, do estágio fenológico e de parâmetros agronômicos (detalhados a seguir) das culturas existentes na área, para serem utilizados como verdade terrestre. Utilizando uma fotografia aérea de junho de 1995 e fotografias 35 mm obtidas em sobrevôos à baixa altitude sobre a área da microbacia nos dias de passagem do satélite (Figura 4.6), delimitaram-se os talhões da microbacia em overlays (Figura 4.2). 72

51 Normalmente cada talhão agrícola tem características semelhantes do ponto de vista da altura, densidade de plantas por metro quadrado, estágio de crescimento e estrutura ou arquitetura das plantas. Em geral, cada talhão é plantado na mesma data, é constituído do mesmo material genético e é plantado com máquinas agrícolas. Isto promove uma uniformidade bastante grande da cultura dentro de um mesmo talhão, fazendo com que as análises sobre a cultura sejam bastante uniformes e permitindo um bom conhecimento da cultura. ç ~ Kilômetros Milhas Fig Composição colorida multitemporal janeiro (R), fevereiro (G) e março (B). 73

52 A partir destes overlays, os talhões foram visitados e suas características agronômicas foram descritas segundo alguns parâmetros culturais que interferem no retroespalhamento do sinal de radar como altura de planta, porcentagem de cobertura, espaçamento, orientação das linhas de plantio, estágio fenológico e direção de declive do talhão (Cihlar et al., 1987). As Tabelas B1, B2 e B3 no Apêndice B mostram os parâmetros culturais levantados nos 52 talhões mais representativos dos nove tipos de uso da terra mais importantes na microbacia. Fig Foto aérea de Cessna, ilustrando parte da microbacia e o tipo de foto utilizada PROCESSAMENTO DIGITAL DAS IMAGENS A identificação das culturas e o efeito que parâmetros fenológicos e biofísicos têm sobre o retroespalhamento foram estudados segundo dois enfoques básicos: análises qualitativas e análises quantitativas, exigindo um processamento digital das imagens diferenciado para cada um dos objetivos Processamento das imagens para as análises qualitativas Para este tipo de análise visou-se basicamente à qualidade visual. Portanto, o processamento digital enfatizou a filtragem despeckling e o ajuste do contraste, além da 74

53 orto-retificação e registro das imagens para a criação da composição colorida multitemporal. A fim de minimizar o efeito do speckle, cada uma das imagens foi filtrada com um filtro tipo mediana, com janela 3x3, em virtude do melhores resultados visuais apresentados quando comparados com os filtros de Frost, Lee e Kuan. Após este passo as imagens foram convertidas de 16 bits para 8 bits, através de um reescalonamento dos níveis de cinza, para facilitar o manuseio dos dados pelos softwares e diminuir o trabalho computacional dos dados e tempo de processamento. As imagens então foram ortoretificadas através do módulo SAROrtho da PCI 6.2 para as correções das distorções geométricas. Os procedimentos do módulo SAROrtho, segundo Amaral et al. (1996), baseiam-se em um modelo geométrico que corrige a imagem globalmente, considerando as distorções da plataforma (posição, velocidade e orientação), do sensor (ângulo de orientação e integração do sinal), da Terra (geóide e elipsóide terrestre, incluindo elevação) e da projeção cartográfica (plano cartográfico e elipsóide terrestre). O procedimento básico consiste inicialmente na leitura da imagem (módulo CDSAR), onde as informações de atitude, efemérides e geometria de visada são extraídas. Na seqüência, um mínimo de 12 coordenadas X, Y e Z devem ser coletadas para a imagem para que o modelo possa ser calculado. Os parâmetros orbitais são utilizados para inicializar o modelo, e então um ajuste iterativo de mínimos quadrados é utilizado para resolver a equação com os pontos de controle (sete pontos são usados para resolver a equação). O passo seguinte do processamento foi o ajuste do contraste, usando uma função de realce linear (Figura 4.7). Por fim foi feito o registro das 3 imagens para a obtenção de uma composição colorida RGB de janeiro-fevereiro-março Processamentos das imagens para as análises quantitativas O processamento realizado nas imagens visando às análises quantitativas constou da calibração, da orto-retificação e do registro das imagens brutas, como mostra a Figura 4.7. Anteriormente a este processamento efetuou-se o escalonamento dos níveis de 75

54 cinza de 16 bits para 8 bits, apenas para facilitar o manuseio das imagens pelos sotfwares de processamento digital de imagens. Imagens em CD CDSAR SARINC SARSIGM Filtro da mediana 3x3 Transformação para imagem intensidade Imagem calibrada Conversão 16 bits/8bits Coleta dos valores de retroespalhamento Contraste Cálculo das médias Orto-retificação Análise visual Obtenção do retroespalhamento em db Fig Fluxograma do processamento digital das imagens. Por calibração radiométrica absoluta de imagens de radar, entende-se a extração dos valores de retroespalhamento (σ o ) a partir dos níveis digitais de amplitude presentes na imagem. Esta calibração possibilita a compreensão dos processos de retroespalhamento dos alvos e conseqüentemente a comparação entre imagens de datas e passagens distintas (Amaral et al., 1996). As três imagens foram calibradas usando os programas CDSAR, SARINC e SARSIGM versão 6.2 do PCI (PCI, 1997). O módulo CDSAR obtém informações de atitude, efemérides e geometria de visada da plataforma e do sistema sensor, presentes no cabeçalho da imagem, disponibilizando-os para os próximos passos da calibração. O módulo SARINC corrige a variação dos valores de ângulo de incidência para a faixa imageada, eliminando as diferenças nos ângulos de incidência no início da faixa (near range) e no final da faixa imageada (far range). O último passo da calibração é a 76

55 correção das variações ocorridas na emissão e recepção do pulso pelo sensor, feito no módulo SARSIGM (Figura 4.7). Após a calibração de cada uma das imagens, as mesmas foram orto-retificadas, visando à correção das distorções geométricas presentes na imagem em função do relevo e da rotação da terra. Esta operação foi realizada através do módulo SAROrtho. Posteriormente efetou-se o registro das três imagens sem ter havido sido feito nenhum tipo de processamento para a redução do speckle, tais como passagem de filtros redutores de speckle (despeckling). 4.5 METODOLOGIA DE DISCRIMINAÇÃO DE CULTURAS E A RELAÇÃO COM PARÂMETROS BIOFÍSICOS Análises Qualitativas As análises qualitativas baseiam-se na interpretação visual do retroespalhamento da composição colorida multitemporal janeiro-fevereiro-março e das imagens separadamente, buscando identificar as culturas através de padrões visuais de retroespalhamento de seus estágios fenológicos (Rosenqvist, 1996 a,b), permitindo separá-las e identificar mudanças no uso da terra. Para estas análises foram selecionados 52 talhões representativos do uso da terra, segundo sua área (eliminando talhões de área muito pequena) e segundo os 9 tipos principais de uso da terra ou culturas (Tabela 4.5) na composição multitemporal e nas imagens individualizadas. Estes talhões foram analisados separadamente comparando o uso da terra determinado nos trabalhos de campo com a tonalidade de níveis de cinza na imagem. Assim, áreas escuras seriam áreas de baixo retroespalhamento e áreas claras seriam de alto retroespalhamento. Procedeu-se da mesma forma em relação à composição multitemporal, analisando a combinação da mistura dos tons de vermelho, verde e azul na imagem, tentando determinar o comportamento das culturas e de mudanças no uso da terra em função das diferentes tonalidades resultantes da mistura das cores. As Figuras A1, A2 e A3 do Apêndice A estão as respectivas áreas na imagem de janeiro, fevereiro e março. Nas Tabelas B1, B2 e B3 do Apêndice B estão descritas as características agronômicas das culturas e o uso da terra dos talhões selecionados. 77

56 TABELA NÚMERO TOTAL DE TALHÕES ESTUDADOS PARA CADA TIPO DE USO DA TERRA Uso da terra N o de talhões Algodão 1 Milho 17 Cana de açúcar 9 Pasto 4 Feijão 2 Tomate 7 Solo nu 4 Solo preparado 5 Pousio Análises Quantitativas Nestas análises buscou-se interpretar as variações temporais do coeficiente de retroespalhamento (σ o ) em função dos parâmetros agronômicos e das mudanças fenológicas das culturas. Dessa forma, foi necessária a transformação das imagens calibradas em 8 bits em imagens intensidade (Amaral et al., 1996), para que fosse feita a coleta dos níveis de cinza, e posterior determinação dos valores de retroespalhamento em cada um dos 52 talhões. A Equação 4.1. apresenta a equação utilizada para a conversão e transformação de imagem amplitude para imagem intensidade (RSI, 1998). 3 {( DN 255 ) x6, x10 + 1, } 2 Iint = calib (4.1.) onde, I int é a imagem intensidade e DN calib é o número digital em 8 bits das imagens em amplitude calibradas. Depois da transformação para imagem intensidade, foram coletados os valores dos níveis de cinza das culturas para o cálculo da média, da variância, do mínimo e do máximo do retroespalhamento. Somente após estes cálculos é que o retroespalhamento 78

57 médio das culturas foi determinado. O retroespalhamento médio em db foi determinado utilizando-se a Equação 4.2. (Brakke et al., 1981). I db = 10log 10 Iint (4.2.) onde, I int é o nível de cinza médio amostral da cultura na imagem intensidade. De posse dos valores dos coeficientes de retroespalhamento das culturas foram construídos gráficos da variação multitemporal do retroespalhamento para cada grupo de culturas. Baseados nestes gráficos, procurou-se determinar padrões de σ o que diferenciassem as culturas e quais os parâmetros fenológicos e agronômicos que produziram este tipo padrão de retroespalhamento comparando-os com os dados levantados nos trabalhos de campo (Brown et al., 1984; Paris, 1983; Brisco et al., 1992; Rosenqvist, 1996a; Le Toan et al., 1997) Variação temporal do retroespalhamento, intervalos de confiança e discriminação de culturas A análise da semelhança ou diferença no comportamento das culturas estudadas visando à discriminação baseou-se nas assinaturas de seus coeficientes de retroespalhamento, como descrito por Oliver e Quegan (1998). Os 206 talhões visitados nos trabalhos de campos foram sub-amostrados, selecionandose 52 que tivessem área representativa e que fossem importantes para o mapeamento de culturas como descritos no item Em cada talhão destas classes coletaram-se amostras dos níveis de cinza na imagem intensidade para o cálculo do coeficiente de retroespalhamento médio das culturas como mostrado na Equação 4.2. Além do retroespalhamento médio, a variância (e desvio padrão) destes dados também foi calculado possibilitando o cálculo de intervalos de confiança da média amostral. Os tamanhos das amostras para o cálculo da média do retroespalhamento foram relativamente grandes (com mínimo de 173 pixels - talhão 24a e máximo de talhão 42), como está apresentado nas Tabelas D1 e D2 do Apêndice D. Em virtude do número de pixels utilizados para o cálculo da média, variância e para os intervalos de 79

58 confiança ser grande (n>100), pode-se supor que as intensidades médias amostrais possuem distribuição normal (De Groot, 1989). Além deste pressuposto de normalidade, o fato de as amostras serem grandes melhora a precisão das estimativas, diminuindo a amplitude dos intervalos de confiança. Supôs-se também que os dados são independentes. Os intervalos de confiança da média amostral de aproximadamente 95% foram calculados segundo a Equação 4.3: I 2s 2s < µ I < Iint (4.3) n n int + onde, I int é a média amostral do retroespalhamento em intensidade da classe de uso da terra, s é o desvio padrão, n é o número de pixels da amostra e µ I é a média populacional do retroespalhamento em intensidade. Os limites dos intervalos de confiança para o retroespalhamento médio em db (µ db ) foram calculados por: 2s 2s log Iint < µ db < 10log I + (4.4) n n 10 int De posse dos intervalos de confiança da média amostral, foram construídos gráficos com a variação temporal do retroespalhamento, de forma que as assinaturas das culturas pudessem ser visualizadas em seu aspecto temporal e as diferenças estatísticas entre os comportamentos servissem de base para as análises da possibilidade de discriminação das culturas em uma classificação. Os intervalos de confiança serviram para sustentar as análises gráficas conferindo uma base estatística às análises e determinando a probabilidade em que estas diferenças poderiam ser confiáveis. Também tendo como base os gráficos do retroespalhamento das culturas nas três datas, efetuou-se uma análise temporal da variação dos valores de retroespalhamento e foram avaliados os efeitos que os parâmetros fenológicos e agronômicos das culturas têm sobre o retroespalhamento em função do tempo, permitindo identificar quais são as 80

59 melhores combinações de datas em composições multitemporais para discriminar culturas com dados Radarsat-1. 81

60 82

61 CAPÍTULO 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1 ANÁLISE VISUAL E QUALITATIVA DO RETROESPALHAMENTO (σ O ) DAS CULTURAS AGRÍCOLAS As análises visuais dos 52 talhões selecionados visaram ao desenvolvimento de um modelo teórico genérico qualitativo do retroespalhamento para áreas agrícolas em imagens SAR, banda C, polarização HH e ângulo de incidência aproximado de 45 o. Este modelo divide os usos da terra em três tipos principais: solo exposto, áreas de pousio e áreas com culturas agrícolas em diferentes estágios. Cada um desses tipos de uso da terra é subdividido em outras subclasses, dependendo da intensidade do retroespalhamento. Por exemplo, as áreas de solo exposto, foram divididas em duas classes, áreas de solo nu, não aradas ou gradeadas e áreas de solo preparado para o plantio de culturas aradas, com sulcos. Para áreas de solo exposto, as características que governam a refletividade SAR são o teor de umidade do solo e rugosidade superficial (Ulaby et al., 1986b). O comportamento desta classe seria determinado primeiramente pelo teor de umidade do solo e em segundo lugar pela rugosidade para a banda C para de ângulos de incidência menores que 30 o (Dobson e Ulaby, 1981). Como a umidade dos solos nas três datas era relativamente baixa (Tabela 4.1 pg. 63) e o ângulo de incidência das imagens foi relativamente grande (43-45 o ), consideramos a sua importância secundária (Major et al., 1993). As áreas com solo exposto que não foram aradas ou gradeadas têm baixa rugosidade, consequentemente, são consideradas lisas pelo sensor e possuem baixo retroespalhamento, aparecendo sempre em tons escuros. Os talhões 25 e 180 que permaneceram nas três datas como solo exposto são bons exemplos deste tipo de comportamento. A rugosidade destas áreas foi estimada qualitativamente como pequena, através da análise visual da régua quadriculada, como pode ser visto na Figura

62 Fig Solo exposto e rugosímetro do talhão 25. A presença de sulcos nos solos nus preparados para o plantio aumenta a rugosidade, aumentando, portanto, o retroespalhamento destas áreas, que aparecem nas imagens com tons mais claros de cinza (Proud et al., 1990; Major et al., 1993). Entretanto, a direção da linha de sulcamento ou de plantio em relação à direção de imageamento também condiciona o comportamento destas áreas. Áreas com sulcos perpendiculares ao sentido de imageamento têm normalmente retroespalhamento maior que áreas com o mesmo tipo de preparo do solo, mas com sulcos paralelos ao sentido do imageamento, como citado por Ulaby et al. (1986b) e Brisco et al. (1991). Este caso pode ser observado nas Figuras A1, A2 e A3 do Apêndice A, nos talhões 116 e 117 que, no mês de janeiro, foram preparados para o plantio de tomate, tendo como diferença apenas a direção de preparo (Figura 5.2a). Para esta cultura, a direção de plantio parece ter bastante importância, como foi citado por Proud et al. (1990), já que os sulcos, têm em média cm de profundidade, causando um aumento considerável na rugosidade superficial do solo preparado (Figura 5.2b). O comportamento de áreas de pousio pode ser considerado uma variação no comportamento de áreas de solo exposto. A diferença está basicamente na presença de espécies de plantas daninhas distribuídas aleatoriamente pela área, sem contudo cobrir totalmente o solo, deixando manchas de solo exposto. 84

63 S sentido de imageamento (a) (b) Fig 5.2 (a) Foto aérea dos talhões 116 e 117 e (b) Foto de campo dos sulcos de tomate do talhão 116. Estas áreas têm normalmente retroespalhamento maior que áreas de solos expostos lisos, e podem ter retroespalhamento maior até mesmo que áreas de solo preparado para o plantio, apresentando tonalidades médios-claras de níveis de cinza (Major et al., 1993) nas imagens da banda C do Radarsat. Isto se deve ao aumento da rugosidade causado pelas ervas invasoras distribuídas pela área, causando a ocorrência do retroespalhamento duplo (double bounce) solo-planta. Os talhões 9, 24 e 128 exemplificam este tipo de comportamento, embora cada um dos talhões tivesse predominância e proporções diferentes de ervas invasoras (Figura 5.3). As áreas com cobertura de culturas têm comportamento dependente do estágio de crescimento, o qual determina a altura, fitomassa (IAF) e porcentagem de cobertura do solo. A direção de plantio da cultura e o espaçamento entre linhas são outros parâmetros que também influenciam no retroespalhamento (Touré et al. 1994; Brisco e Brown, 1997; Le Toan et al., 1997). Os talhões que possuíam culturas em estágio inicial de desenvolvimento (até 50 cm), como a cana-de-açúcar, o milho, o algodão e o feijão foram identificados com tons médio a escuros nas imagens, mostrando menor retroespalhamento nestas situações (Ulaby et al., 1984). O retroespalhamento nestas circunstâncias é muito dependente das características do solo. Embora as culturas nestes estágios proporcionarem o efeito de retroespalhamento duplo solo-planta causando double bounce, este efeito, na maior 85

64 parte das culturas, não é suficientemente grande para elevar consideravelmente o retroespalhamento. Fig Foto da área com pousio e suas características superficiais- talhão 24. As linhas de plantio da cultura interferem no retroespalhamento, de acordo com a posição relativa ao sentido do imageamento, da mesma forma que em áreas de solo preparado. Se são perpendiculares, o σ o tenderá a ser mais alto que em casos de linhas paralelas ao sentido de imageamento. Quanto maior for o espaçamento entre as linhas da cultura maior será o efeito da direção das linhas e do retroespalhamento duplo (Ulaby et al., 1982; Proud et al., 1990). Conforme a cultura vai se desenvolvendo, aumentando em altura, porcentagem de cobertura do solo e fechamento do dossel, o retroespalhamento vai aumentando, atingindo o ponto mais alto quando o dossel cobre 100% do solo, como pode ser visto na Figura 2.7 (Ulaby et al., 1984, pg. 43). Nesta situação o dossel é praticamente uniforme, liso e com alto teor de umidade, interagindo com a radiação que incide, não permitindo que esta penetre até ao solo e que o solo interfira no retroespalhamento. Este mecanismo de retroespalhamento é descrito por Touré et al. (1994) e na Figura 2.4, pg. 35, como sendo o número 3, resultado apenas das interações dentro dossel da cultura. Neste caso os níveis de cinza são médios e as tonalidades escuras a médias (cinza escuro). 86

65 Nas fases finais do ciclo das culturas o retroespalhamento volta a diminuir, já que o teor de umidade das folhas cai, aumentando a exposição do solo e do caule (colmos/hastes) e espigas, diminuindo a atenuação da radiação pelo dossel, como pode ser observado na Figura pg. 35 e 2.5 pg. 38. A rugosidade do dossel aumenta em virtude da senescência e queda das folhas, aumentando as brechas e os vazios no interior do dossel, ocasionando o aparecimento do retroespalhamento múltiplo dentro da cultura, porém este efeito de aumento de rugosidade do dossel não é suficiente para fazer com que o retroespalhamento total da cultura aumente, ao invés de diminuir. É preciso lembrar também que estes efeitos são dependentes das estruturas das diversas culturas, forma e tamanho das folhas, podendo ser mais intensos em uma ou outra cultura como destacou Ulaby et al. (1984) quando comparou as curvas de retroespalhamento temporal das culturas de milho e sorgo. Brown et al. (1992) também afirmaram que o efeito de diminuição do retroespalhamento nessas fases finais do ciclo e de aumento do retroespalhamento nas fases de desenvolvimento da cultura é dependente da freqüência de imageamento. Para as culturas de trigo e canola, os autores observaram que o retroespalhamento diminui em virtude do aumento da penetração da radiação no dossel e maior interferência do retroespalhamento do solo para as bandas C e L, mas este comportamento não foi observado para a banda Ku, que possui menor poder de penetração mesmo em condições de pré-colheita das culturas. De maneira geral, as análises visuais permitiram estabelecer estes padrões de comportamento do coeficiente de retroespalhamento para áreas agrícolas. Obviamente, há casos particulares dentro das várias culturas estudadas e dos diferentes estágios fenológicos em que elas se encontram. Entre os casos particulares, destacam-se as pastagens e o milho na fase de pendoamento. Geralmente, as pastagens apresentaram um padrão de baixo retroespalhamento, portanto tonalidades escuras de cinza (Bakhtiari e Zoughi, 1991). Este comportamento pode ser explicado por um conjunto de fatores. Primeiramente, as pastagens quando bem formadas cobrem 100% do solo e apresentam uma fitomassa aérea uniforme do 87

66 ponto de vista da rugosidade quando são de porte baixo e hábito rasteiro como é o caso do capim braquiária (Braquiaria decumbens sp.) e o retroespalhamento tem grande dependência do teor de umidade do solo. Porém, pastos de hábito de entouceiramento não rasteiros têm comportamento diferente, pois apresentam fitomassa aérea menos uniforme e apresentam heterogeneidade na cobertura do solo. Na microbacia estudada temos apenas um caso com este tipo de pasto, o talhão 52, pasto colonião - Panicum maximum Jacq., que apresenta retroespalhamento levemente superior aos outros tipos de pasto com hábito rasteiro, como pode ser visto na Figura 5.17 pg Este comportamento pode ser justificado pela menor interferência do retroespalhamento do solo no retroespalhamento total da pastagem. Independentemente do hábito, os pastos não apresentam direções preferenciais de plantio, o que não cria um padrão determinado de retroespalhamento. Por outro lado as características intrínsecas ao comprimento de onda 5,6 cm - banda C, que são de baixa penetração em dosséis, contribuem para este padrão de baixo retroespalhamento, como pode ser observado nos talhões 43, 52 e 53 nas Figuras A1, A2 e A3 do Apêndice A. Outro fator que também influencia é a característica do pasto quanto à arquitetura das plantas, que na maioria dos casos são erectas, com maior resposta em polarizações VV do que em HH como é o caso do Radarsat-1 (Bakhtiari e Zoughi, 1991). No caso do milho que está no estágio de florescimento, ele emite um pendão, flor de 30 cm, com forma cônica e com baixo teor de umidade no topo do dossel, aumentando a atenuação da radiação antes de atingir o dossel, segundo Ulaby et al. (1984), referindose ao efeito que as espiguetas de trigo têm sobre o retroespalhamento, aparecendo nas imagens com tons de cinza mais escuros que nas fases anteriores, como pode ser visto no talhões 16, 105 e 121 e na Figura 5.4. O tamanho dos talhões também mostrou influência no tipo de informação fornecida pelo sensor. Em áreas grandes, como as dos pivôs centrais, é possível perceber a informação textural das culturas. Como exemplo, a área de pivô plantada com cana-de-açúcar, 88

67 talhão número 18 Figura A1 do Apêndice A, mostra que a informação textural também pode ser utilizada para caracterizar as culturas (Anys e He, 1995a, b). (a) (b) Fig (a) Foto do milho pendoado, talhões 16 e 121. (b) Ilustração de pendões de milho. Nestas grandes áreas também é possível perceber visualmente as mudanças na direção de plantio, como a cana de açúcar dentro do pivô central, mostrada na foto aérea (Figura 5.5). Os efeitos que estas mudanças na direção de plantio da cana-de-açúcar em relação ao sentido de imageamento têm sobre o retroespalhamento não podem ser qualificados como importantes levando-se em conta somente análises visuais. O relevo e a declividade, causaram efeitos de sombreamento em alguns talhões observado pelos tons mais escuros em áreas de encosta. Em alguns talhões que se estendiam das áreas planas no topo das encostas até áreas mais baixas este efeito de sombreamento é perceptível. As áreas que estão no topo das encostas têm tons de cinza mais claros, enquanto as áreas em encostas com declive em sentido oposto ao sentido de iluminação têm tons de cinza mais escuros. O problema de sombreamento em alguns talhões pode interferir na classificação, criando a necessidade de separar uma mesma classe em duas, com sombra e sem sombra. Pelo fato das imagens terem sido orto-retificadas este efeito é minimizado, aparecendo apenas em casos mais extremos. Também é preciso ressaltar que a área de estudo não possui grandes variações no relevo e altitude e que, portanto, casos onde o efeito de sombreamento são percebidos são exceção. 89

68 Fig Foto aérea do pivô central, mostrando as várias direções de plantio da canade-açúcar em função das curvas de nível. 5.2 ANÁLISE QUANTITATIVA E A VARIAÇÃO TEMPORAL DO RETROESPALHAMENTO DAS CULTURAS Os nove diferentes tipos de usos da terra selecionados dentro da microbacia serão discutidos neste item sob a ótica da variação temporal do coeficiente de retroespalhamento (σ o ) das culturas nas três datas de imageamento do Radarsat-1 e os efeitos que as diferentes fases das culturas proporcionaram nos valores de σ o Algodão - Gossypium hirsutum raça latifolium A fenologia da cultura do algodão está representada na Figura 5.6., onde é possível observar que as fases de florescimento e frutificação do algodoeiro foram imageadas na primeira e na segunda data (05/01/98 e 22/02/98) e a fase de maturação e senescência foi imageada na terceira data (18/03/98). Na primeira imagem, o algodão ainda não havia atingindo o máximo de fitomassa, de cobertura foliar e de índice de área foliar, mas o valor do coeficiente de retroespalhamento é basicamente resultado da interação com a vegetação e é pouco influenciado pelas propriedades do solo. Na segunda imagem a cultura já atingiu o 90

69 ponto de saturação e seu comportamento é resultado da interação da energia com o volume do dossel. Na terceira imagem, a cultura está começando a entrar na fase de senescência e diminuindo a sua biomassa, permitindo que a influência do solo se manifeste no retroespalhamento global da cultura. 1 Crescimento da cultura SEMEADURA EMERGÊNCIA Desenv. DESENV. VEGETATIVO Vegetativo 1BOTÃO FLORAL 1 FLOR Florescimento Frutificação FLORESCIM ENTO FRUTIFICAÇÃO Maturação Senescência MATURAÇÃO SENESCÊNCIA DEZ NOV JAN FEV MAR ABR 1 a imagem 2 a imagem 3 a imagem Fig. 5.6 Ilustração dos estágios de crescimento da cultura do algodão e localização temporal das três imagens SAR/Radarsat estudadas. FONTE: Adaptado de Abraão et al. (1988). As pequenas variações do retroespalhamento entre os meses de janeiro/fevereiro e março são significativas estatisticamente, como mostram os intervalos de confiança a 95%. Provavelmente, estas variações são resultado das variações na porcentagem de cobertura do solo. A influência da cobertura do solo em janeiro foi maior em relação a de fevereiro, quando a cultura já cobria mais o solo em função do maior estágio de desenvolvimento. Em março a cultura já havia atingido o valor máximo de fitomassa, cobertura do solo e altura, permanecendo com estes níveis de cobertura até a fase de final de maturação dos frutos. 91

70 -3 Retroespalhamento (db) Jan Fev Mar Fig Gráfico da variação do coeficiente de retroespalhamento da cultura do algodão, no talhão número 5. As barras verticais indicam o intervalo de confiança de aproximadamente 95%. (a) (b) Fig Fotos de campo do talhão 5 algodão. (a) Algodão em janeiro na fase florescimento e (b) algodão em fevereiro no início da fase de frutificação. O retroespalhamento deste único talhão de algodão é o maior entre todas as culturas estudadas, variando de 6,6 a 4,8 db nas três datas (Figura 5.7). Provavelmente os principais fatores causadores do alto retroespalhamento foram a direção da linha de plantio, e a inclinação da vertente, também perpendicular ao sentido de iluminação do Radarsat. Como o plantio foi feito em nível, cada linha da cultura tem um pequeno 92

71 desnível em relação às linhas anteriores, produzindo um efeito de escada no topo do dossel da cultura, aumentando a rugosidade superficial do dossel. Além destes dois fatores, as próprias características da cultura do algodão, que se caracteriza por não cobrir totalmente o solo, a arquitetura cônica e erecta, as folhas latifoliadas e o cultivo com grande espaçamento entre-linhas (um metro aproximadamente), deixam muitas brechas em seu dossel o que provoca retroespalhamento múltiplo, também contribuindo para os altos valores de retroespalhamento da cultura. Neste talhão é difícil separar quais são os efeitos influenciados pela cultura e quais são devido à outros fatores externos à cultura, como a direção de linha de plantio e a direção da declividade da vertente onde a cultura está sendo cultivada Pousio Nestes estudos, as áreas de pousio foram diferenciadas das áreas com culturas agrícolas, pois as áreas de pousio não são classificadas segundo a sua fenologia ou estágio de desenvolvimento, mas sim pela porcentagem de cobertura do solo, altura das plantas e características das espécies invasoras. Os resultados observados nos talhões 9, 24 e 128 (Figura 5.9) mostraram que quanto mais rugosos forem os pousios, maior é seu retroespalhamento. No talhão 9, é possível observar que, nos meses de janeiro e fevereiro o retroespalhamento foi 2,5 db maior que no mês de março. Em janeiro e fevereiro o talhão estava coberto por ervas invasoras, como a tiririca (Cyperus esculentus L.) e a trapoeraba (Commelina benghalensis L.), determinando uma rugosidade média e cobrindo bem o solo, o que diminuiu os efeitos da baixa rugosidade do solo e, conseqüentemente, elevou o retroespalhamento médio (Figura 5.9). No mês de março, com a gradagem e incorporação das plantas ao solo, houve exposição do solo, o terreno ficou mais liso e com menor rugosidade e expôs o solo, causando diminuição do valor do retroespalhamento médio σ º. 93

72 -6 Retroespalhamento (db) Jan Fev Mar Fig Variação multitemporal do retroespalhamento de três áreas com pousio. As barras verticais indicam o intervalo de confiança para duas vezes o desvio padrão da média amostral. Uma pequena área no canto inferior esquerdo do talhão 24, Figura A1 do Apêndice A e Figura 5.3, onde houve proliferação de ervas invasoras, foi separada para ser analisada como pousio. A presença destas ervas invasoras causou aumento na rugosidade do terreno no mês de janeiro, permitindo a diferenciação por 2 db entre este pousio e o solo exposto do talhão 25, ao lado. A separação destes dois talhões foi estatisticamente significativa com intervalo de confiança de 95%, como pode ser visto nas Tabelas D1 do Apêndice D. Nos meses seguintes a área de pousio foi transformada em solo nu, com eliminação das ervas daninhas, passando a ter um comportamento praticamente similar ao solo exposto. O talhão 128 mostrou o mesmo comportamento dos demais talhões de pousio, o que está de acordo com Major et al. (1993), que estudaram o efeito que diferentes preparos de solo têm sobre o retroespalhamento de áreas de pousio. Os retroespalhamentos de janeiro e fevereiro foram, em média, 2 db mais alto, causado pela rugosidade superficial da vegetação e pela menor interferência das características do retroespalhamento do solo. No mês de março, ocorreu exatamente o oposto. As ervas invasoras foram incorporadas ao solo com gradagem deixando-o exposto e diminuindo a rugosidade 94

73 superficial. Para este talhão, o retroespalhamento do pousio foi significativamente diferente a 95%, das áreas de solo exposto e de solo preparado para implantação de culturas, como pode ser observado na Figura 5.9, diferenças entre os meses de fevereiro e março. Os retroespalhamentos dos talhões 9 e 128 nos meses de janeiro e fevereiro também são diferentes estatisticamente. Isso pode ser justificado graças às diferenças na porcentagem de cobertura dos talhões por parte das plantas invasoras, diferenças nas características das espécies de plantas invasoras e na população total de plantas na área. A Tabela D1 do Apêndice D mostra os valores das análises estatísticas baseados nos intervalos de confiança de aproximadamente 95%, confirmando que os valores são distintos a este nível de significância e com este número de amostras Cana-de-açúcar - Saccharum sp. A cultura da cana-de-açúcar, não tem sido muito estudada no contexto de seu comportamento na faixa de microondas. Yun et al. (1995) citaram que a cultura de canade-açúcar tem um padrão homogêneo de retroespalhamento, não apresentando uma dispersão grande de valores dentro de uma mesma variedade. Porém, há a necessidade de pesquisas que estudem o efeito que o teor de água dos colmos da cana-de-açúcar, que pode chegar a 48% (Copersurcar, 1990), tem sobre o retroespalhamento, além de pesquisas do efeito que as diversas arquiteturas de plantas podem ter sobre o coeficiente de retroespalhamento. Na microbacia, a cana-de-açúcar é o principal uso da terra. Os talhões analisados neste trabalho apresentavam uma diversidade grande de estágios fenológicos (Figura 5.10), altura de plantas, variedades e direção de linhas de plantio, ocasionando uma alta heterogeneidade nesta classe, não permitindo que os dados fossem agrupados. Desta forma, a classe de cana-de-açúcar foi dividida em duas classes: classe com variedades de cana-de-açúcar com arquitetura planófila (talhão 14b) e outra com variedades de arquitetura erectófila (talhões 14a e 18). Assim, tentou-se eliminar parte da heterogeneidade dos dados, facilitando as análises. Mesmo assim, não foi possível explicar alguns comportamentos observados. 95

74 A cana-de-açúcar presente no talhão 18 (pivô central) era cana-planta e caracterizava-se por ter sido plantada havia poucos meses (Figura 5.10), apresentando maior retroespalhamento no mês de janeiro devido ao efeito do retroespalhamento duplo soloplanta. A Figura 5.5 mostra a baixa cobertura do solo na data de passagem do imageamento. Esta baixa porcentagem de cobertura do solo causa retroespalhamento composto, compreendendo o dossel e mais uma componente de retroespalhamento soloplanta, justificando os valores mais elevados de retroespalhamento neste mês. No mês de fevereiro, o retroespalhamento diminuiu devido ao fechamento do dossel, deixando de existir o retroespalhamento múltiplo. Também ocorre uma maior homogeneidade do dossel, diminuindo a rugosidade superficial. Estas diferenças no retroespalhamento do talhão 18 e em outros como 14 a, 54, 59, 83 e 98, são significativas estatisticamente à 95% de confiança, como é possível ver na Figura Estas diferenças mostram como os diferentes estágios fenológicos e de porcentagem de cobertura do solo podem ser monitorados a partir deste tipo de imagens. Analisando o retroespalhamento de duas variedades de cana-de-açúcar talhões 14a, 14b e 18 é possível perceber o mesmo comportamento da curva de retroespalhamento em função do tempo (Figura 5.11), porém com diferenças no valor do σ o. A variedade SP (talhões 18 e 14a) tem retroespalhamento superior a -9 db. A outra variedade (RB , talhão 14b) tem retroespalhamento variando entre -9 e -10 db. Esta diferença significativa estatisticamente a 95% no retroespalhamento das duas variedades de cana-de-açúcar é provocada pela diferença na arquitetura das plantas. A variedade SP tem porte mais erecto e folhas mais finas. A outra variedade, do talhão 14b, tem porte mais planófilo e folhas mais largas. Estas diferenças na arquitetura e na estrutura das plantas proporcionam mudanças no processo de atenuação da radiação dentro do dossel (Touré et al., 1994; Dobson et al., 1995). 96

75 Crescimento da cultura Cana-de-açúcar 12 meses plantio crescimento vegetativo amadurecimento colheita D J F M A M J J A S O N D J F A M J J Cana-de-açúcar 18 meses D J F M A M J J A S O N D J F A M J J Fig Ciclo de crescimento da cultura de cana-de-açúcar de 12 meses (ano) e da cana-de-açúcar de 18 meses (ano e meio). FONTE: Adaptada de Alfonsi et al. (1987, p. 48). A variedade SP , por ser mais erecta, tem dossel mais heterogêneo, o que provoca maior retroespalhamento múltiplo, e a variedade RB , por possuir folhas mais largas e estrutura planófila, tem maior atenuação da radiação incidente. Este resultado mostra que as imagens Radarsat são sensíveis a mudanças na estrutura das plantas e que talvez possam ser utilizadas para distinguir variedades de cana-de-açúcar. O talhão 54 representa uma área de cana soca com uma variedade de arquitetura erectófila e que por estar em um estágio de crescimento mais avançado cobre totalmente o solo (IAF saturado). Possui dossel bem fechado desde o mês de janeiro, não permitindo o aparecimento do retroespalhamento múltiplo dentro da cultura e o retroespalhamento duplo solo-planta, justificando assim seus valores serem um pouco inferiores aos apresentados pela cana-de-açúcar presente no talhão 18. A cobertura total do solo por parte da cultura tem efeito paradoxal no retroespalhamento. Pela eliminação da interferência do retroespalhamento do solo, há uma elevação no retroespalhamento, já que o retroespalhamento do solo é geralmente muito menor que o das culturas. Mas, por outro lado, torna a superfície do dossel mais lisa, quase especular, devido ao aumento da uniformidade e da continuidade do dossel, diminuindo o coeficiente de 97

76 retroespalhamento. Este último efeito é menos importante na banda C, devido ao seu menor poder de penetração, e poderia ser a explicação para a diminuição do retroespalhamento observada no mês de fevereiro a Retroespalhamento (db) Jan Fev Mar 14b Fig Gráfico da variação do coeficiente de retroespalhamento da cultura da canade-açúcar. As barras verticais indicam o intervalo de confiança para duas vezes o desvio padrão da média amostral. Diferentemente do talhão anterior (54), os talhões 55/56 não apresentam saturação do IAF em janeiro, mas somente em fevereiro. Os valores de retroespalhamento mais altos nestes talhões nos dois primeiros meses podem ser resultado da ação conjunta da menor porcentagem de cobertura e direção de linha de plantio diferente. Embora as diferenças só sejam significativas estatisticamente entre os meses de janeiro e fevereiro, não são entre os meses de fevereiro e março. Como nos meses de janeiro e fevereiro a porcentagem de cobertura era menor, os efeitos de direção de plantio eram mais importantes. Com o fechamento do dossel em março, os talhões 55/56 passaram a ter o mesmo comportamento dos talhões vizinhos (talhões 54, 58 e 59 Figuras A2 e A3, Apêndice A), independentemente da direção de plantio. 98

77 A forma das curvas de retroespalhamento temporal da cana-de-açúcar, como pode ser observada na Figura 5.11, apresenta diminuição no valores de retroespalhamento no mês de fevereiro e pequeno aumento no mês seguinte, voltando próximo aos valores do mês de janeiro. Embora não haja na literatura qualquer citação referente ao comportamento temporal da cana-de-açúcar, é possível sugerir que este efeito é resultado do retroespalhamento duplo solo-planta elevando o valor médio do retroespalhamento global da cultura no mês janeiro. No mês de fevereiro este processo de retroespalhamento não está presente, devido ao fechamento do dossel tornando-o mais liso e impedindo a penetração da radiação, diminuindo os valores de retroespalhamento. A diferença de 4 db observada na Figura 5.11, entre os diversos talhões no mês de janeiro, pode ser devido as diferenças na direção de plantio da cultura. As diferenças são mais perceptíveis nas fases de menor cobertura vegetal. Isso explica porque no mês de janeiro as diferenças foram mais pronunciadas. Com o aumento da cobertura do solo e fechamento do dossel nos meses seguintes, estas diferenças vão diminuindo e tendendo a valores próximos de 8,5 db para as variedades erectófilas e de 9,5 db para as variedades planófilas Milho - Zea mays L. O comportamento temporal do retroespalhamento do milho apresentado por Ulaby et al. (1984; 1986b) mostrou que o retroespalhamento aumenta nas fases iniciais do ciclo, devido ao aumento da cobertura vegetal, até o início da fase de maturação. O retroespalhamento começa então a diminuir, em razão do aparecimento da influência do retroespalhamento do solo (Figura 2.7). Na Figura 5.12, é possível observar os valores de retroespalhamento medidos nos meses de janeiro, fevereiro e março, quando os estágios de crescimento da cultura variavam de talhão para talhão. Em janeiro a verificação da fenologia observada em campo, foi realizada segundo Hanway (1993), alguns talhões apresentavam a cultura em fase inicial (talhões 44 e 45), outros na fase vegetativa (talhão 42) e outros na fase de florescimento (talhões 15, 16, 102 e 136). Esta grande heterogeneidade de estágios fenológicos dificultou a criação de uma classe única 99

78 com as mesmas características fenológicas, que permitisse e discriminá-la das demais classes de uso da terra presentes na área de estudo. Essa heterogeneidade observada em campo também foi confirmada pela análise estatística. O retroespalhamento médio de cada um dos talhões foi significativamente diferente em cada um dos três meses (Figura 5.12 (a)). Os talhões 15 e 16, mostrados na Figura 5.12, estavam na fase incial de florescimento no mês de janeiro, justificando os valores de retroespalhamento menores que os do mês de fevereiro, já que os pendões aumentam os valores de retroespalhamento e diminui o retroespalhamento relativo ao dossel, como descrito por Ulaby et al. (1984). No talhão 16, o retroespalhamento diminuiu de fevereiro para março em virtude da entrada da cultura na fase de maturação. Porém, nesse período, os valores de retroespalhamento continuaram aumentando no talhão 15. Este aumento não possui razões aparentes, já que os talhões têm praticamente as mesmas características. A única hipótese levantada é de que este talhão 15 tenha sido plantado alguns dias mais cedo que o talhão 16 e que por isso esteja alguns dias adiantado na fase de maturação, aumentando a rugosidade do seu dossel, o que poderia ter causando este aumento. Os talhões 42 e 45 apresentados na Figura 5.12 têm características e comportamentos estatisticamente diferentes entre si e contrários aos apresentados pela literatura (Ulaby et al., 1986 a,b). Em janeiro, o talhão 42 estava na fase vegetativa, com 1,80 m de altura e cobrindo totalmente o solo. Em fevereiro, o milho estava na fase reprodutiva e em março na fase de maturação em avançado estado de secagem. Pela Figura 5.12 é possível observar que o retroespalhamento da cultura aumenta no mês de março quando deveria continuar a tendência de queda em relação ao mês de fevereiro, o retroespalhamento volta a aumentar para valores acima dos valores de janeiro. 100

79 Retroespalhamento (db) Jan Fev Mar Número do talhão (a) Retroespalhamento (db) Jan Fev Mar (b) Fig Gráficos da variação temporal do retroespalhamento para a cultura do milho As barras verticais indicam o intervalo de confiança para duas vezes o desvio padrão da média amostral. 101

80 O mesmo comportamento é apresentado pelo talhão 45, embora suas características sejam totalmente diferentes. Em janeiro, este talhão estava na fase vegetativa, tendo apenas 50 cm de altura e 60% de cobertura do solo. Em fevereiro, o milho do talhão 45 estava no estágio de florescimento e em março, na fase de maturação. De acordo com a literatura o seu comportamento deveria ser de aumento do retroespalhamento até o mês de fevereiro, a partir do qual os valores começariam a decrescer. O comportamento deste talhão não foi desta maneira. O talhão começou o decréscimo dos valores de retroespalhamento já em fevereiro e não prosseguiu esta tendência no mês seguinte, onde os valores voltaram a aumentar. O aumento do retroespalhamento de fevereiro para março para os talhões 42 e 45, de, pode ser explicado pelo fato do primeiro talhão apresentar um aumento considerável da rugosidade do dossel e uma diminuição da umidade no mês de março, causando aumento do retroespalhamento complexo e diminuição da atenuação da radiação incidente. Já o talhão 45 pode ter apresentado este comportamento porque no mês de fevereiro os pendões aumentaram bastante a atenuação da radiação, como foi citado por Ulaby et al. (1984) para a cultura do trigo. Depois desta fase de pendoamento, a cultura não sofreria mais este efeito de atenuação e voltaria a apresentar o comportamento padrão citado na literatura no mês de março. O talhão 44 foi o que apresentou o comportamento mais parecido com o que afirmam Ulaby et al. (1986b). Embora o retroespalhamento tenha aumentado em março, este aumento não foi estatisticamente significativo a 95% de confiança, indicando uma pequena estabilização, mostrando que a cultura começa a entrar na fase de maturação onde os valores devem decrescer. Os talhões 108, 109 e 110 tiveram o comportamento esperado e citado na literatura (Ulaby et al., 1984). O aumento ocorrido em fevereiro é decorrência do secamento dos pendões, aumentando o retroespalhamento da cultura. Com a entrada na fase de senescência da cultura no mês de março, o retroespalhamento tendeu a cair. O talhão 101, que em janeiro estava no estágio vegetativo com 0,60 m de altura e cobria 50% do solo, tem comportamento e fenologia semelhante ao talhão 45 e, portanto, 102

81 comportamento temporal bastante similar quanto aos valores do coeficiente de retroespalhamento, que estão em torno de -7 a -9 db. Já o talhão 102 apresentou um comportamento totalmente diferente dos demais talhões de milho. Provavelmente este comportamento é resultado do avançado estágio fenológico. No mês de janeiro a cultura já estava na fase de florescimento, ou seja, com pendões que produziam o efeito de double bounce, aumentando o coeficiente de retroespalhamento. A partir deste mês, a cultura começa a entrar na fase de maturação justificando a queda no valores de retroespalhamento, de acordo com Ulaby et al. (1984 e 1986b) Feijão - Phaseolus vulgaris L. A cultura de feijão aparece em alguns poucos talhões compondo a rotação com a cultura do milho. Suas análises são correlatas às apresentadas para a cultura do milho nos meses de janeiro e fevereiro. Porém, suas características de cultivo sob sistema de plantio direto sobre a palha do milho traz informações interessantes de como este tipo de sistema de cultivo se relaciona com a radiação de microondas em imagens de radares orbitais. No mês de janeiro, o talhão 44a estava coberto por pasto, que foi tratado com herbicida para deixar apenas a palha da pastagem, aparecendo no mês fevereiro apenas com a palha do pasto. Nestas condições o feijão foi plantado sem a incorporação da palha e a cultura aparece no mês de março com 15 cm de altura e baixa porcentagem de cobertura do solo ou da palha. O comportamento de áreas de pastagem é geralmente de baixo retroespalhamento, como pode ser observado na Figura 5.13 (talhão 44a em janeiro e fevereiro) e As áreas de pousio ou de palha têm retroespalhamento similar aos de pasto e maiores que áreas de solo nu (Major et al., 1993). A área de feijão do talhão 44a não teve o comportamento citado por Ulaby et al. (1984) onde, com o aumento da cobertura do solo, o retroespalhamento aumentaria em virtude da diminuição da contribuição do retroespalhamento do solo no retroespalhamento total da cultura. 103

82 -4 Retroespalhamento (db) a Jan Fev Mar Fig Variação temporal do retroespalhamento da cultura do feijão sob sistema de plantio direto. As barras verticais indicam o intervalo de confiança para duas vezes o desvio padrão da média amostral. (a) (b) (c) Fig a) Sistema de plantio de direto (talhão 44a); b) e c) rotação de feijão após milho (talhões 47 e 51), respectivamente. Este talhão (44a) teve comportamento estatisticamente igual nos meses de janeiro e fevereiro, não apresentando diferenças significativas a 95% de confiança. Porém, no mês de março, quando a cultura de feijão já havia sido plantada, a diferença no retroespalhamento médio em relação aos dois primeiros meses foi significativamente diferente a 95%. A diferença entre este talhão com palha e o talhão 47, sem palha no momento do plantio do feijão, foi significativamente diferente ao nível de 95% de confiança, como pode ser visto na Figura

83 No mês de janeiro, o talhão 47 tinha as características da cultura do milho plantada na área. O milho estava na fase de crescimento vegetativo, apresentando 1 m de altura e, portanto, com baixa cobertura do solo. O retroespalhamento do talhão nesta data era relativamente alto, como resultado do retroespalhamento duplo solo-planta. No mês de fevereiro o milho foi cortado, ficando somente os restos de cultura sobre o solo, justificando os valores baixos de retroespalhamento em virtude do retroespalhamento ser resultado do retroespalhamento do solo somado ao retroespalhamento dos restos culturais. Convém lembrar que o sistema de plantio direto é feito em condições de cobertura total do solo por palha e não sobre restos culturais como foi o caso nesta área. A Figura 5.14 mostra o sistema de plantio direto adotado no talhão 44a e as características de cultivo dos talhões 47 e 51. No mês de março a cultura de feijão foi plantada no talhão 47 e aparecia com 25 cm de altura na última imagem. A elevação dos valores de retroespalhamento pode ser explicada como resultado da diminuição da influência do retroespalhamento do solo no retroespalhamento total da cultura, do aumento da rugosidade superficial e do retroespalhamento solo-planta (Ulaby et al., 1986b). O mesmo comportamento ocorreu no talhão 51. Neste talhão, em janeiro a cultura de milho estava em estágio mais avançado de desenvolvimento, o que diminuiu os valores de retroespalhamento. A cultura de feijão foi plantada no mês de fevereiro e, no mês de março, já estava mais desenvolvida (40 cm) e cobria mais o solo (~80%), elevando um pouco os valores de retroespalhamento e diferenciando-os estatisticamente nestes últimos 2 meses quando comparados aos do talhão 47. Esses talhões mostraram que a presença de palha sobre o solo não mudou o retroespalhamento total da cultura, tendo portanto comportamento similar ao de solo exposto, e o sistema de plantio direto não pareceu interferir no comportamento da cultura do feijão, já que os talhões 44a e 47 não foram significativamente diferentes no mês de março. A cultura de feijão apresentou o comportamento típico de retroespalhamento proposto por Ulaby et al. (1984). 105

84 Tomate - Lycopersicon esculentum Mill Assim como a cultura do feijão, a cultura do tomate não foi plantada desde janeiro, vindo a ser plantada normalmente no início de fevereiro. Desta forma, o comportamento temporal da cultura vai estar diretamente relacionado com áreas de solo exposto ou mesmo áreas de solo preparado para o plantio nos meses de janeiro e fevereiro. O talhão 24 compreende uma área com 3 direções de preparo do solo para plantio da cultura do tomate, criando a necessidade de separá-las, já que suas respostas são diferentes. O solo preparado para tomate possui normalmente sulcos de 30 cm de profundidade, o que provoca um comportamento bastante rugoso para a banda C, determinando um retroespalhamento superior ao do solo simplesmente exposto. A área representada pelo talhão 24a tem as mesmas características de data de plantio, estágio fenológico, mesmo de sistema de irrigação por sulcos, porcentagem de cobertura e altura das plantas que as áreas 24b e 24c. O único fator causador da diferença observada na Figura 5.15 é a direção de preparo do solo e plantio da cultura. A direção de plantio do talhão 24a é NW-280 o, quase paralela ao sentido de imageamento (W- 270 o ). Esta diferença torna o retroespalhamento médio da área ser significativamente diferente das áreas ao lado (talhões 24b e 24c). A direção de plantio paralela à direção de imageamento é citada por Proud et al. (1990) como um fator que diminui a influência da rugosidade superficial dos alvos e contribui para a diminuição do retroespalhamento, deixando-os com características de solo exposto liso. Com o desenvolvimento da cultura, as diferenças na direção das linhas de plantio vão ficando menores, mostrando que a interferência do solo no retroespalhamento total é inversamente proporcional à porcentagem de cobertura do solo pelas culturas. O fato do retroespalhamento em fevereiro ser maior que em março pode ser devido a alguma característica peculiar da cultura, já que este comportamento pode ser observado em quase todos os talhões com tomate estudados na microbacia. 106

85 0 Retroespalhamento (db) Jan Fev 24b 24c b 176 (a) Retroespalhamento (db) Jan Fev Mar 24a 24b 24c a b (b) Fig Variação temporal do retroespalhamento da cultura do tomate. As barras verticais indicam o intervalo de confiança para duas vezes o desvio padrão da média amostral. 107

86 Os talhões 116 e 117 também mostram o efeito da direção de linha de plantio no retroespalhamento. Em janeiro, o talhão 116 estava como solo preparado para o plantio com direção de plantio praticamente perpendicular (NS-0 o ) ao sentido de imageamento, produzindo um exageramento da rugosidade do solo, como descrito por Proud et al. (1990). Com o desenvolvimento da cultura seu comportamento passa a ser igual ao descrito para os talhões 24a, 24b e 24c. O talhão 117, ao contrário, tem um comportamento diferente desde o início do ciclo. No mês de janeiro, esta área embora tenha sido preparada para o plantio, não se comporta como área de solo exposto porque os sulcos de preparo do solo estão paralelas (NE-70) ao sentido de imageamento, causando a não detecção desta rugosidade por parte do sensor. Porém, mesmo com o desenvolvimento da cultura e a diminuição da interferência do solo no retroespalhamento, o comportamento do talhão 117 no mês de fevereiro não é similar aos dos outros talhões. Isto pode ser explicado pelo estágio de desenvolvimento da cultura que era um pouco menor que o do talhão 116. O talhão 126 tem comportamento estatisticamente diferente do talhão 117, embora ambos tenham direção de sulcamento praticamente paralela ao imageamento, o que diminui a detecção da rugosidade superficial do solo. Nos meses seguintes o talhão se comporta como os demais talhões. As diferenças de valores de retroespalhamento nos talhões de mesmo comportamento (Figura 5.15) podem ser devidas a teores de umidade do solo, localização no terreno e declividade local. O talhão 138 foi subdividido em 138a e 138b porque estas duas áreas foram preparadas para o plantio do tomate em datas diferentes. Embora os talhões 138a e 138b apresentem diferenças grandes nos valores de retroespalhamento, eles têm como única diferença a data de preparo do solo. O talhão 138a foi preparado para o plantio antes da primeira data de passagem do satélite e o 138b depois, estando na primeira imagem como solo exposto, sem preparo e, portanto, liso. Por isso o retroespalhamento é tão baixo em janeiro neste talhão (Figura 5.18). A direção de plantio destes dois talhões é perpendicular ao sentido de imageamento, justificando também porque o retroespalhamento tem os valores altos em janeiro para o talhão 138 e permanece alto para fevereiro. 108

87 O talhão 176 foi o último talhão a ser preparado para o plantio da cultura de tomate na microbacia. Em janeiro este talhão ainda era solo exposto (sem sulcos), bastante liso, portanto com baixa rugosidade e baixo retroespalhamento. Em fevereiro, estava com solo preparado para o plantio (sulcado), mas ainda não tinha sido plantado. Somente na imagem de março é que aparece a cultura de tomate. Como a direção plantio não é nem paralela nem perpendicular ao sentido de imageamento, o retroespalhamento é intermediário entre estas duas situações. Na imagem de março é possível observar como o desenvolvimento da cultura aumentou o retroespalhamento total da cultura e como ele começa a se estabilizar, tendendo a um mesmo comportamento para todos os talhões de tomate, com valores de retroespalhamento ao redor de -7 db. Os retroespalhamentos correspondentes aos talhões com tomates mostram a importância da rugosidade superficial do solo e da direção das linhas de preparo e de plantio para a banda C, polarização HH e ângulo de incidência aproximado de 40 o Pasto As pastagens têm características próprias, e por isso têm quase sempre comportamento diferente de retroespalhamento de outras culturas (Figura 5.16). O principal fator determinante do retroespalhamento na banda C em pastagens é a umidade do solo, segundo Baktiari e Zoughi (1991), devido à baixa altura dos pastos e ao alto poder de penetração da radiação em algumas bandas, podendo chegar a ser transparentes à radiação para a banda X e ângulo de incidência maiores que 30 o. As pastagens presentes na área de estudo possuem as mesma características descritas na literatura, são baixas (não maiores que 1m), cobrem 100% do solo, apresentam pouca biomassa, como mostra a Figura Desta forma, é possível entender o comportamento quase linear e uniforme destes talhões nas 3 datas (Figura 5.16). O baixo retroespalhamento é o resultado combinado das características do dossel dos pastos e do teor de umidade da área, responsáveis pela atenuação do sinal de retorno. O talhão 43 é o que tem maior teor de umidade do solo, chegando a permanecer algumas vezes encharcado, explicando o valor do retroespalhamento tão menor quando comparado com os outros 3 talhões. 109

88 -6 Retroespalhamento (db) Jan Fev Mar Número do talhão (a) -6 Retroespalhamento (db) Jan Fev Mar (b) Fig Retroespalhamento de pastagens em função do tempo As barras verticais indicam o intervalo de confiança para duas vezes o desvio padrão da média amostral. 110

89 (a) (b) (c) Fig Exemplos de áreas de pastagem. (a) talhão 43 (braquiária), (b) divisa dos talhões 53/52 e (c) talhão 53 (colonião), respectivamente Solo exposto e solo preparado O comportamento de solos expostos e de solos preparados já foi discutido juntamente com o comportamento de outras culturas, já que esta classe de uso da terra aparece como resultado das operações de colheita ou de implantação das culturas. As características e propriedades dos solos como densidade, textura e teor de matéria orgânica interferem no poder de retenção de água do solo e, consequentemente, no coeficiente de retroespalhamento. Portanto, para uma boa compreensão do retroespalhamento em solos nus é importante a determinação destes fatores que interferem na retenção de água do solo. A dificuldade de determinação e levantamento em campo destas características inviabilizaram a coleta destes dados neste trabalho. A distinção feita entre as classes de solo exposto e solo preparado é basicamente a rugosidade superficial do solo, já que não foram feitas medições do teor de umidade do solo. Solos preparados para plantio, pelo fato de terem sulcos, têm maior rugosidade que os solos exposto arados ou gradeados. Os talhões 25 e 180 são áreas de solo exposto gradeado em janeiro, portanto lisas do ponto de vista de rugosidade (Figura 5.18). No mês de fevereiro, com a presença de ervas invasoras a sua rugosidade aumenta com conseqüente aumento no retroespalhamento, como já foi discutido no item No mês de março a área foi roçada novamente, ficando apenas a palhada do pousio, tornando a área novamente lisa. 111