Livro: Fundamentos de Teledetección Espacial Autor: Emilio Chuvieco Tradução: Elódio Sebem. Capítulo 2: Princípios Físicos do Sensoriamento Remoto

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1 Livro: Fundamentos de Teledetección Espacial Autor: Emilio Chuvieco Tradução: Elódio Sebem Capítulo 2: Princípios Físicos do Sensoriamento Remoto 2.1 Fundamentos da observação remota Sensoriamento remoto é a técnica que nos permite obter informação a distancia dos objetos situados sobre a superfície terrestre. Para que esta observação remota seja possível, faz-se necessário que entre os objetos e o sensor exista algum tipo de interação. Nossos sentidos percebem um objeto somente quando podem decifrar a informação que este envia. Por exemplo, somos capazes de ver uma árvore porque nossos olhos recebem e traduzem convenientemente a energia luminosa procedente da mesma. Esta energia luminosa, ademais, não é originada pela árvore, senão por uma fonte eletromagnética exterior que a ilumina. Por isso não somos capazes de perceber esta árvore no escuro. Este simples exemplo nos serve para introduzir os três principais elementos de qualquer sistema de sensoriamento remoto: sensor (nossos olhos), objeto observado (árvore) e fluxo energético que permite colocar ambos em relação. No caso dos nossos olhos, esse fluxo procede do objeto pela reflexão da luz solar. Podia tratar-se também de um tipo de energia emitido pelo próprio objeto ou pelo sensor. Estas são, precisamente, as três formas de adquirir informações a partir de um sensor remoto: por reflexão, por emissão e por emissão-reflexão (Fig. 2.1). Figura Formas de sensoriamento remoto. 1

2 A primeira delas é a forma mais importante de sensoriamento remoto, pois se deriva diretamente da luz solar, principal fonte de energia do nosso planeta. O sol ilumina a superfície terrestre, que reflete essa energia em função do tipo de cobertura presente sobre ela. Esse fluxo refletido é capturado pelo sensor, que o transmite posteriormente as estações receptoras. Entre a superfície e o sensor se interpõe a atmosfera, que dispersa e absorve parte do sinal original. De igual forma, a observação remota pode ter como base a energia emitida pelas próprias coberturas, ou na energia envaida desde um sensor que fosse capaz, tanto de gerar seu próprio fluxo energético, como captar posteriormente sua reflexão sobre a superfície terrestre. Em qualquer dos casos, o fluxo energético entre a cobertura terrestre e o sensor constitui uma forma de radiação eletromagnética. A energia se transfere de um lugar para outro por três processos: convecção, condução e radiação. Destes, nos centraremos no último processo, pois constitui a base dos sistemas de sensoriamento remoto analisados nesta obra. Historicamente as propriedades da radiação eletromagnética foram explicadas por duas teorias aparentemente contrarias: aquela que considera a radiação eletromagnética como um feixe de energia ondulatório (Huygens, Maxwell) e aquela que a considera como uma sucessão de unidades discretas de energia, fótons ou quantuns, com massa igual a zero (Planck, Einstein). Atualmente, parece que as teorias se podem compaginar, pois se há demonstrado que a luz pode comportar-se de acordo com ambas as teorias. Segundo a teoria ondulatória, a energia eletromagnética se transmite de um lugar a outro seguindo um modelo harmônico e continuo a velocidade da luz e contendo os campos de forças ortogonais entre si: elétrico e magnético (Fig. 2.2). As características deste fluxo energético podem descrever-se por dois elementos: comprimento de onda () e freqüência (F). A primeira faz referencia a distancia entre duas cristas sucessivas de uma onda enquanto que a freqüência designa o número de ciclos passando por um pondo fixo em uma unidade de tempo. Ambos os elementos estão inversamente relacionados: Figura Esquema de uma onda eletromagnética. 2

3 c F [2.1] onde c indica a velocidade da luz (3x10 8 m/s), expressa o comprimento de onda (habitualmente em micrometros, 1m=10-6 m) e F a freqüência (Hertz, ciclos por segundo). Em definitiva quanto maior o comprimento de onda menor a freqüência e vice-versa o que significa que basta indicar um dos termos para definir apropriadamente o tipo de energia. Graças à teoria quântica, podemos calcular a quantidade de energia transportada por um fóton, sempre que saibamos sua freqüência. Q h F [2.2] onde Q é a energia radiante de um fóton (em joules), F a freqüência e h a constante de Planck (6,6x10-34 J s). Substituindo na equação (1), podemos expressar: Q h ( c / ) [2.3] isso significa que quanto maior o comprimento de onda (ou menor a freqüência) o conteúdo energético será menor e vice-versa. Isso implica em que a radiação nos maiores comprimentos de onda é mais difícil de detectar que aquela proveniente de comprimentos de ondas curtos, conseqüentemente os primeiros requerem meios de detecção mais refinados. 2.2 O Espectro Eletromagnético Das fórmulas anteriores podemos definir qualquer tipo de energia radiante em função de seu comprimento de onda ou freqüência. Apesar de que a sucessão de valores de comprimento de onda é continua, se costuma estabelecer uma série de bandas onde a radiação eletromagnética manifesta um comportamento similar. A organização destas bandas de comprimentos de ondas ou freqüência se denomina espectro eletromagnético (Fig. 2.3). Compreende desde os comprimentos de onda mais curtos (raios gama, raios X) até quilométricos (telecomunicações). As unidades de medida mais comuns se relacionam ao comprimento de onda. Para os mais curtos se utilizam micrometros, enquanto os mais longos se medem em centímetros ou metros. Normalmente a estes últimos (denominados micro-ondas) se utiliza os valores de freqüência (em gigahertz, GHz = 10 9 Hz). Do ponto de vista do sensoriamento remoto convém destacar uma série de bandas espectrais que são as mais frequentemente empregadas com a tecnologia atual. A sua denominação varia segundo os distintos autores, no entanto a terminologia mais comum é a seguinte: Espectro Visível (0,4 a 0,7 m): Se denomina assim por tratar-se da única radiação eletromagnética que nossos olhos podem perceber e coincide com os comprimentos de onda onde a radiação solar é máxima. Podemos separar três bandas elementares, que se denominam azul (0,4 a 0,5 m), verde (0,5 a 0,6 m) e vermelho (0,6 a 0,7 m) em razão das cores primárias que nossos olhos percebem nesses comprimentos de onda. 3

4 Figura Espectro eletromagnético. Infravermelho próximo (0,7 a 1,3 m): Muitas vezes denominado também infravermelho refletido ou fotográfico porque parte dele pode ser detectado a partir de filmes 4

5 dotados de emulsões especiais. Muito utilizado por sua capacidade de distinguir massas vegetais e concentrações de umidade. Infravermelho médio (1,3 a 1,8 m): Nestes comprimentos de onda se mesclam os processos de reflexão da luz solar e de emissão da superfície terrestre. Muito importante para estimar o conteúdo de umidade da vegetação e detecção de focos de altas temperaturas. Infravermelho distante ou térmico (8 a 14 m): Inclui a porção emissiva do espectro terrestre onde se detecta o calor. Microondas (a partir de 1 cm): Seu uso é muito interessante por ser uma energia bastante transparente a cobertura de nuvens. Estudaremos adiante o comportamento espectral das principais coberturas terrestres em cada uma destas bandas do espectro eletromagnético. Antes disso, é importante estudar alguns conceitos e unidades de medida empregadas em sensoriamento remoto. 2.3 Termos e unidades de medida Como explicado acima para que se possa produzir uma observação remota da superfície terrestre é preciso que o sensor detecte o fluxo energético proveniente desta. Este fluxo tem uma intensidade determinada, proveniente ou dirigida a uma unidade de superfície e com uma direção concreta. Convém, por tanto, determinar as unidades de medida mais empregadas em sensoriamento remoto com objetivo de sermos rigorosos na hora de apresentar posteriormente o processo de aquisição de dados. A formulação precisa de cada uma destas magnitudes podem ser observadas na tabela 2.1 (Slater, 1980; Curran, 1985; Elachi, 1987): Energia Radiante ( Q ): Indica o total de energia radiada em todas as direções. Mede-se em Joules (J). Densidade Radiante (W ): Total de energia radiada em todas as direções por unidade de volume. Mede-se em Joules por metro cúbico (J m -3 ). Fluxo Radiante ( ): Total de energia radiada em todas as direções por unidade de tempo. Mede-se em Wats (W). Emitância ( M ): Total de energia radiada em todas as direções desde uma unidade de área por unidade de tempo. Mede-se em Wats por metro quadrado (W m -2 ). Irradiância Radiante ( E ): Total de energia radiada sobre uma unidade de área e por unidade de tempo. É equivalente a emitância, se bem indica a energia emitida enquanto a Irradiância refere-se a energia incidente (W m -2 ). 5

6 Tabela Magnitudes radiométricas utilizadas em sensoriamento remoto. Conceito Símbolo Fórmula Unidade de Medida Energia Radiante Q --- Joules (J) Densidade Radiante W Q / dv J m -3 Fluxo Radiante Q / t Wats (W) Emitância Radiante M / A W m -2 Irradiância E / A W m -2 Intensidade Radiante I / W sr -1 Radiância L I /( Acos ) W m -2 sr -1 Radiância Espectral L L / W m -2 sr -1 m -1 Emissividade Reflectância Absortância Transmitância M / M n r / i / a i / sr, estéreo-radiano, medida do ângulo sólido; m, micrometros ou micras (10-6 metros); M n, emitância de um corpo negro;, fluxo incidente;, fluxo refletido;, fluxo absorvido;, fluxo i r t i transmitido;, ângulo formado pelo fluxo e a direção normal. a t Intensidade Radiante ( I ): Total de energia radiada por unidade de tempo e por ângulo sólido ( ). Trata-se o último de um ângulo tridimensional, que se refere a seção completa da energia transmitida e mede-se em estéreo-radianos (Figura 2.4). Por tanto a intensidade radiante mede-se em Wats por estéreo-radianos (W sr -1 ). Radiância ( L ): Total de energia radiada em uma determinada direção por unidade de área e por ângulo sólido de medida. Este termo é fundamental para o sensoriamento remoto já que descreve precisamente o que mede o sensor. Quantifica-se em Wats por metro quadrado e estéreo-radianos (W m -2 sr -1 ). Radiância Espetral ( L ): Derivado do conceito anterior indica o total de energia radiada em um determinado comprimento de onda por unidade de área e por ângulo sólido de medida. Quando o sensor detecta uma banda particular do espectro esta é a medida mais próxima da observação remota. Da mesma forma que a Radiância, a Emitância e a Irradiância se completa o termo com o qualificativo espectral (adicionando-se o sub-índice ) quando se refere a determinado comprimento de onda. Emissividade ( ): Relação entre a emitância da superfície ( M ) e a que ofereceria um emissor perfeito, denominado corpo negro, a uma mesma temperatura ( M ). n Reflectância ( ): Relação entre o fluxo incidente e refletido por uma superfície. 6

7 Absortância ( ): Relação entre o fluxo incidente e o que absorve uma superfície. Transmitância ( ): Relação entre o fluxo incidente e o transmitido por uma superfície. Figura Diagrama de um ângulo sólido. Estes últimos termos são adimensionais e é comum expressar-los em tantos por cento ou por um. Estas magnitudes são dependentes do comprimento de onda e, portanto deve estar especificado o qualificativo espectral para referir-se ao seu comportamento em uma determinada banda do espectro. 2.4 Princípios e leis da radiação eletromagnética O objetivo deste capítulo é caracterizar espectralmente as distintas coberturas de interesse ambiental. Para isso, comentaremos os processos mais importantes que permitem explicar esse comportamento assim como os fatores que influenciam a sua variação. Esta base permitirá abordar uma interpretação mais rigorosa das imagens obtidas pelo sensor. De acordo com a fórmula [2.3] a quantidade de energia que contém o fluxo radiante é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda. Esta relação entre o fluxo de energia e o comprimento de onda pode ser estabelecida com maior rigor graças a lei de Planck: M n 2 2hc, [2.4] 5 hc exp 1 kt 7

8 onde M n, indica a emitância radiativa espectral de um corpo negro a um determinado comprimento de onda; h é a constante de Planck (6,626x10-34 W.s 2 ); k, a constante de Boltzmann (1,38x10-23 W.s 2.K -1 ); c, a velocidade da luz;, o comprimento de onda e T, a temperatura absoluta do corpo negro (em Kelvin, K). Esta fórmula pode ser simplificada substituindo-se alguns termos por constantes: M n c1, [2.5] 5 c2 exp 1 T onde c 1 pode ser substituído por 3,741x10 8 W.m -2.m 4 e c 2 por 1,438x10 4 m.k. Resumindo, a fórmula de Planck nos diz que qualquer objeto que tenha uma temperatura superior ao zero absoluto (-273ºC) radia energia e que esta se incrementa com a temperatura. Além disso, a uma maior temperatura, esse corpo radiará com mais intensidade nos comprimentos de onda mais curtos. Com esta fórmula podemos reconstruir a curva de emitância de um corpo negro a distintas temperaturas (Fig. 2.5). Este gráfico é interessante para conhecermos o comportamento radiativo de um objeto, sempre que tivermos conhecimento da sua temperatura e emissividade, isto é, seu grau de semelhança com o corpo negro. Figura Curva da emitância radiativa de um corpo negro a diferentes temperaturas. A partir da fórmula de Planck pode ser calculado o comprimento de onda em que se produz a máxima emitância de um corpo negro conhecendo a sua temperatura (T ). Esta é a chamada lei de deslocamento de Wien: 8

9 2898 m K max [2.6] T Esta lei tem uma grande importância para selecionar a banda mais adequada para detectar determinada cobertura sempre que se conheça a sua temperatura. Por exemplo, no caso de incêndios florestais levando em conta que a temperatura de combustão se situa entre 540 e 700 K, a lei de Wien nos permite situar entre 4,30 e 5,28m (infravermelho médio) a banda espectral mais adequada para a sua detecção. No caso do sol (com uma temperatura radiante próxima aos 6000 K) a sua máxima emitância se encontra na região do espectro visível (0,4 a 0,7 m). Em poucas palavras, quanto mais quente está o objeto emissor, mais curtos são os comprimentos de onda que o mesmo radia. Integrando a emitância espectral de um corpo negro para todos os comprimentos de onda, podemos calcular o total de energia que radia por unidade de superfície. Esta é a lei de Stefan-Boltzmann: 4 M n T [2.7] onde é a constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x 10-8 W m -2 K -4 ) e T a temperatura em Kelvin. Como conseqüência desta fórmula, resulta evidente que a emitância global de um objeto esta em função da sua temperatura, e que pequenas mudanças nesta supõe notáveis modificações na sua emitância radiante. Por outra parte, conhecendo a temperatura de um objeto emissor, podemos também estimar a Irradiância incidente sobre o sensor, por que Emitância e a Irradiância são funcionalmente equivalentes. Até agora estivemos supondo superfícies naturais que se comportam como corpos negros, o que implica numa simplificação notável. Por isso, se devem corrigir as fórmulas anteriores adicionando-se um novo parâmetro, a emissividade: M [2.8] M n A emissividade já foi definida como o grau de similaridade entre a emitância radiante de um objeto e a que apresentaria um corpo negro em uma mesma temperatura. Um corpo negro indica um emissor perfeito, isto é, um objeto que absorve e emite toda a energia que recebe. Chamam-se corpos brancos ou refletores perfeitos, quando não absorvem nada da energia incidente e a refletem por completo (emissividade = 0) enquanto que corpos cinzas são aqueles objetos que absorvem e emitem de forma constante em distintos comprimentos de onda. Quando a emissividade varia de acordo com o comprimento de onda, se emprega o termo radiadores seletivos. São os mais freqüentes na natureza. Graças a esse comportamento particular, se pode discriminar de outros tipos de superfícies no infravermelho térmico. A partir das fórmulas [2.4 a 2.8] podemos estimar a emitância total e espectral de um objeto conhecendo a sua temperatura absoluta, sendo aquela tanto maior quanto mais 9

10 alta seja esta. Concluindo, a energia emitida por um objeto é uma função da sua temperatura. Pequenas mudanças na temperatura supõem uma modificação sensível na emitância total de acordo com a equação [2.7]. Além disso, conhecendo a temperatura de um objeto ou cobertura de interesse (e dado que se pode estimar a sua emissividade) será possível determinar a banda do espectro mais idônea para a sua discriminação. Com estas noções se pode abordar um estudo mais detalhado das três regiões do espectro eletromagnético onde se realizam os processos de sensoriamento remoto: comprimentos de onda curtos (desde o visível e o infravermelho médio), médios (térmico) e longos (micro-ondas). 2.5 O domínio ótico do espectro Características da radiação energética no espectro ótico Denomina-se domínio ótico do espectro aquele grupo de comprimentos de onda diretamente dependentes da energia solar. Também se incluem em esta epígrafe os comprimentos de onda correspondentes ao infravermelho médio quando os processos de reflexão são dominantes sobre os de emissão. Em conseqüência convém analisar com mais detalhe as características espectrais do sol, principal fonte de energia radiante em nosso planeta. Mais adiante analisaremos o comportamento das principais coberturas terrestres frente a este tipo de radiação. O sol possui uma temperatura radiante próxima aos 6000 K. Isto implica, segundo a lei de Wien, que a sua máxima emitância espectral se produz em torno aos 0,48 m, coincidindo com a cor azul observada pelos nossos olhos. A curva espectral da radiação solar é semelhante a de um corpo negro a essa temperatura, tal como pode ser observado na Figura 2.6. Neste gráfico se observa como o sol apresenta uma banda de elevada emitância entre 0,3 e 2 m. Nesta banda temos o domínio ótico do espectro e constitui a região de maior interesse para a observação remota da superfície terrestre. Até aqui se considerou a origem da radiação. Mais importante para nosso objetivo é entender como este fluxo se relaciona com a superfície terrestre. A radiação que a terra recebe se pode descompor em três termos (Fig. 2.7): [2.9] i r a t Isto é, o fluxo incidente sobre a superfície é refletido ( r ), transmitido ( t ) e absorvido ( a ). É importante expressar esta equação em formas relativas. Para isso, basta dividir cada termo da expressão anterior por i : 10

11 i i 044.ASR.SRE.16 - Princípios Físicos do Sensoriamento Remoto i r a t [2.10] i i ou seja: 1 [2.11] Figura Curva de emitância radiativa do sol. Assim a soma da Reflectância, Absortância e Transmitância deve ser igual a 1. A relação entre as três grandezas não é constante e sim varia de acordo com o comprimento de onda. Portanto, em termos mais exatos deveríamos expressar a função desta maneira: 1 [2.12] A proporção do fluxo incidente que é refletido, absorvido e transmitido depende das características da superfície que se observa e do comprimento de onda objeto de analise. Para poder caracterizar uma determinada cobertura, é muito interessante conhecer o seu comportamento nos diversos comprimentos de onda já que isto permitirá determinar melhor suas diferenças com respeito a outras coberturas espectralmente similares. 11

12 Figura Relação entre fluxo incidente e refletido. No caso do espectro visível, este comportamento similar dos objetos a distintos comprimentos de onda se manifesta no que chamamos cor: um objeto é azul se reflete a energia desta banda do espectro e pouco no resto do mesmo (dizendo de outra maneira, se absorve e transmite pouca energia incidente somente no azul, sendo maior no resto) enquanto que um objeto será verde se a sua refletividade se centra nesta banda e é baixa nas outras. A partir de medidas de laboratório, se podem obter curvas de refletividade espectral para as principais coberturas terrestres (Fig. 2.8). Como se pode observar, algumas tendem a apresentar uma resposta uniforme em distintos comprimentos de onda enquanto outras oferecem um comportamento muito mais seletivo. A neve apresenta uma refletividade alta e constante, pois reflete a maior parte da energia incidente nos distintos comprimentos de onda. Pelo contrário, a água absorve a maior parte da energia que recebe, tanto mais segundo cresce os comprimentos de onda. Por sua parte, a vegetação apresenta um comportamento cromático, ou seja, com baixos valores de refletividade no espectro visível, elevados no infravermelho próximo e menores no infravermelho médio. Mais adiante estudaremos com mais detalhe estes valores teóricos de refletividade para o caso da vegetação, água e solo. Antes disso é importante considerar que o fluxo de energia recebido pelo sensor não só depende da refletividade da cobertura, senão também de outros fatores externos. Os mais importantes são: (i) as condições atmosféricas, (ii) a localização ambiental dos alvos e (iii) a geometria da observação. Os dois primeiros aspectos serão discutidos mais adiantes. Em quanto às condições de observação, temos que levar em consideração que a quantidade de energia que chega ao sensor depende do ângulo de incidência do fluxo de energia e do ângulo de reflexão do 12

13 mesmo. Esta geometria de observação está estreitamente relacionada com a rugosidade da superfície terrestre. A este respeito, se podem distinguir dois tipos de coberturas (Fig. 2.9): aquelas que refletem a energia com o mesmo ângulo do fluxo incidente (especulares) e aquelas que refletem uniformemente em todas as direções (lambertianas). No primeiro caso, o sensor só recebe energia refletida do solo se está situado na direção do ângulo de reflexão, sendo nula em qualquer outro caso. Se a superfície é lambertiana, a radiância é constante em qualquer ângulo de reflexão. Figura Assinaturas espectrais típicas de diferentes alvos. A maior parte das coberturas terrestres tende a comportar-se de um modo intermediário entre as duas situações, em função das suas características e do comprimento de onda em que se trabalhe. Se o comprimento de onda é pequeno, as rugosidades do terreno tenderão a difundir muito mais energia incidente que para os comprimentos de onda maiores, onde estas mesmas partículas podem não impedir um comportamento especular. No espectro visível, por exemplo, somente a água em calma apresenta um caráter quase especular enquanto o resto das coberturas tende a oferecer um comportamento difusor. Nos comprimentos de onda maiores (micro-ondas), outras coberturas também podem comportarse de modo especular, sempre que a rugosidade do terreno seja suficientemente pequena. Figura Superfícies especulares e lambertianas. 13

14 Em qualquer caso, o ângulo de elevação solar e o ângulo de observação jogam um papel muito destacado na resposta finalmente obtida pelo sensor. Em poucas palavras, o sensor pode registrar um valor distinto de radiância espectral para uma mesma cobertura (com a mesma ou similar refletividade) se variam as condições de observação e iluminação. Se a este fato adicionamos que a refletividade apresenta variações estacionais, que são importantes no caso das coberturas vegetais, se nota a complexidade das observações obtidas pelo sensoriamento remoto. Assim, o comportamento de uma cobertura no espectro visível está influenciado não só por suas próprias características, mas também por uma série de fatores externos que modificam o que podíamos chamar seu comportamento espectral teórico. Alguns destes fatores são (Fig. 2.10): Ângulo de iluminação solar (i) que depende da época do ano e do momento de obtenção das imagens. Modificações que o relevo introduz no ângulo de iluminação: orientação das encostas (ii) ou declividades (iii). Influencia da atmosfera, especialmente no que ser refere à absorção pelas nuvens (iv) e a dispersão seletiva em diferentes comprimentos de onda (2.8.2). Variações meio-ambientais na cobertura: associação com outras superfícies, homogeneidade que apresenta, estado fenológico (v), etc. Substrato edafológico ou litológico (vi), especialmente quando a cobertura vegetal apresenta uma cobertura média ou baixa. Estes fatores expressam a complexidade que podemos encontrar quando queremos caracterizar um tipo de cobertura a partir de sensores remotos. Também nos serve para matizar a validez das curvas espectrais indicadas previamente, que devem ser consideradas como refletividades de referencia e não absolutas. Este modo particular com que uma determinada cobertura reflete e emite a energia em distintos comprimentos de onda se denomina assinatura espectral (Slater, 1980; Meliá et al., 1986) e é a base para descriminar esta cobertura de outras a partir do sensoriamento remoto. Além do comportamento espectral próprio de cada cobertura, é necessário considerar os fatores acima indicados, que modificam as assinaturas espectrais. Em fim, as diferentes coberturas da superfície terrestre não têm um comportamento espectral único e permanente, que coincide com as suas curvas de refletividade espectral e permita reconhecer-las sem confusão frente a outras superfícies. Pelo contrário, em torno a um determinado comportamento espectral, que denominamos assinatura espectral, cada cobertura apresenta certa variabilidade espectral, devido aos fatores comentados e que dificulta (em última instância) a sua discriminação de outras superfícies. 14

15 Figura Fatores que modificam a assinatura espectral: (i) variações estacionais da altura solar; (ii) orientação; (iii) declividade; (iv) condições atmosféricas; (v) condição fenológica e (vi) substrato edáfico. Apesar destes comentários, não cabe dúvidas de que as curvas de refletividade acima analisadas são muito úteis para interpretar com mais fidelidade uma imagem, relacionando os valores adquiridos pelo sensor com as medidas de laboratório. Ao mesmo tempo, estes gráficos nos permitem selecionar as bandas mais convenientes para a detecção das coberturas terrestres objeto de estudo. A continuação, estudaremos com mais detalhe os fatores que explicam este comportamento espectral teórico para o caso dos três elementos fundamentais da paisagem: vegetação, solo e água Comportamento espectral da vegetação no espectro óptico A caracterização das massas vegetais constitui uma das tarefas mais interessantes no sensoriamento remoto. Apesar da sua importância, ainda oferece notáveis dificuldades como conseqüência dos múltiplos fatores que influem na radiância final detectada pelo sensor. Em um primeiro momento, temos que considerar a própria reflectância das folhas, em função do estado fenológico, forma e conteúdo de umidade. Além disso, devemos considerar as características morfológicas das plantas: altura, perfil, grau de cobertura do 15

16 solo, etc., que provocam uma notável modificação no seu comportamento refletivo. O terceiro grupo de fatores esta relacionado com a situação geográfica das plantas: declividades, orientações, associação com outras espécies, geometria da plantação, etc. Apesar das variações que introduzem estes fatores, vamos aqui concentramos no comportamento espectral da vegetação vigorosa. Para isso contamos com diversos estudos teóricos (Gates et al., 1965; Knipling, 1970; Colwell, 1974; Curran, 1980; Jensen, 1983; Lusch, 1989) e com uma série de curvas espectrais obtidas em medições de laboratório (Fig. 2.8 e 2.11). Figura Fatores da refletividade da vegetação sadia no espectro óptico. De acordo com estes trabalhos o comportamento típico da vegetação vigorosa mostra uma reduzida refletividade nas bandas do visível, com um máximo relativo na porção verde do espectro (em torno a 0,55 m). Por outra parte, no infravermelho próximo apresenta uma elevada refletividade, diminuindo paulatinamente em direção ao infravermelho médio. Estas características espectrais se relacionam, principalmente, com a atuação dos pigmentos fotossintéticos e a água armazenada nas folhas. Em concreto, a baixa refletividade na porção visível do espectro se deve ao efeito absorvente dos pigmentos das folhas, principalmente das clorofilas, xantofilas e carotenos (65, 29 e 6%, respectivamente, ainda que a proporção possa variar muito: Gates et al., 1965). Todos eles absorvem na banda do espectro situada em torno aos 0,445 m, enquanto a clorofila apresenta outra banda de absorção em torno aos 0,645 m. Em ambas as porções do espectro, aparece uma banda intermediaria, ao redor dos 0,55 m, onde o efeito é menor. Por este motivo aparece um pico relativo de refletividade que coincide com a banda verde do espectro visível e causa a cor que nossos olhos percebem da vegetação vigorosa. 16

17 Quanto se aproxima a caída das folhas no outono, a clorofila exerce uma menor influencia o que explica sua maior refletividade na banda vermelha, e assim a sua cor amarelada (verde + vermelho). Em algumas espécies se destaca a ação de outro pigmento, a antocianina, um bom refletor na porção vermelha do espectro, que causa esta cor nas épocas de senescencia (caso dos plátanos canadenses). Em relação à elevada refletividade no infravermelho próximo, esta se deve a estrutura celular interna das folhas. Em concreto, exerce um papel protagonista a camada esponjosa do mesófilo, com as suas cavidades de ar internas, ao difundir e dispersar a maior parte da radiação incidente nesta banda do espectro (Harris, 1987, pp ). Por isso, a folha sadia oferece uma alta refletividade no infravermelho próximo, em evidente contraste com a baixa refletividade no visível, especialmente na banda vermelha. Como a estrutura das folhas é muito variada de acordo com a espécie em análise, a banda infravermelha pode ser utilizada para discriminar as espécies, incluindo àquelas que não podiam ser separadas no espectro visível. A partir de 1,4m o efeito absorvente da água é claro, provocando uma drástica redução da refletividade da vegetação no infravermelho médio. As medidas de laboratório mostram uma notável diferença nesta região do espectro entre as folhas secas e com água infiltrada (Knipling, 1970; Curran, 1985) especialmente nos comprimentos de onda próximos a 1,45m, 1,92m e 2,7m. Estudos com folhas de figueiras, a refletividade de folhas secas alcançou até quatro vezes o valor de folhas úmidas para a banda situada em torno de 1,9m (Short, 1982). Em outros estudos com folhas de coníferas, observou-se um sensível aumento da refletividade no infravermelho médio com a diminuição da umidade das folhas, diminuindo ligeiramente a refletividade no infravermelho próximo e com pouca variação no visível (Westman e Price, 1988). Entre estas bandas, onde a absorção da água é mais clara se situam os picos relativos de refletividade em torno a 1,6m e 2,2m. Assim que, o conhecimento da região do espectro é importante para o estudo do estado hídrico das folhas. As curvas aqui apresentadas podem modificar-se em função da morfologia das folhas. Assim, as folhas com acículas tendem a uma maior absortância em todos os comprimentos de onda enquanto que plantas desérticas, de tronco suculento, refletem uma maior radiação que outras espécies mesofíticas (Gates et al., 1965). Obviamente o sensor não mede folhas isoladas, senão agrupações das mesmas, formando massas de vegetação o que significa que entram em jogo outros elementos adicionais que complicam o esquema prévio. Alguns destes elementos são: o ângulo de elevação solar, diretamente relacionado com a proporção de sombras que detecta o sensor; o índice de área folhar (LAI), especialmente sensível quando a vegetação não cobre 17

18 totalmente o solo; as características do solo que sustenta a vegetação; a geometria da cobertura vegetal; seu estado fenológico; etc. Apesar da complexidade final, fica evidente que estas idéias nos servem para guiarnos em estudos científicos da vegetação a partir de sensores espaciais. Dentre estes estudos, o contraste mais nítido na refletividade espectral da vegetação sadia se produz entre as bandas visíveis, especialmente o vermelho (em torno a 0,65m) e o infravermelho próximo (0,7 a 1,3m). Podemos concluir então, como principio genérico, que quanto maior for o contraste entre estas duas bandas, maior será o vigor da vegetação e mais clara a sua discriminação frente a outros tipos de alvos. Este comportamento espectral teórico das coberturas vegetais tem servido de base para obter uma série de índices de vegetação, que têm por base (entre outros fatores) o contraste entre as bandas do vermelho e do infravermelho próximo do espectro. Constroem-se a partir da combinação destas duas bandas quando temos imagens multiespectrais. Todos os índices de vegetação existentes procuram de forma mais nítida apresentar as características da vegetação, facilitando seu isolamento de outras coberturas e a detecção do seu estado vital (Meliá et al., 1986; Meliá, 1986; Huete, 1987; Sellers, 1989). Fica implícito que qualquer fonte de estresse na vegetação se mostrará em um comportamento espectral mais ou menos diferente do exposto. As folhas senescentes ou enfermas tendem a perder atividade da clorofila e em conseqüência a oferecer uma menor absortância nas bandas azul e vermelha do espectro visível. O aumento conseqüente da refletividade nestas bandas elimina o máximo relativo antes situado no verde, e as folhas apresentam uma coloração amarelada. Pelo contrário, no infravermelho próximo se produz uma redução da refletividade, como conseqüência da destruição da estrutura celular das folhas. A curva espectral, portanto, se torna mais plana, menos cromática (Murtha, 1978; Knipling, 1970). Estas observações são válidas para detectar danos causados por pragas ou incêndios florestais (Tanaka et al., 1983; Chuvieco e Congalton, 1988b). Em diversos estudos, comprovou-se que existe uma clara relação entre o quociente entre o infravermelho médio e o infravermelho próximo e o conteúdo de umidade das folhas, que permite determinar aquelas zonas afetadas por estresse hídrico (Cohen, 1991ª; Vogelman, 1990; Hunt e Rock, 1989). Além disso, comprovou-se também que certos fatores de estresse das folhas estão associados a um deslocamento no limite do vermelho (red edge), isto é, uma mudança na inclinação da curva espectral entre o vermelho e o infravermelho próximo, em direção a comprimentos de onda mais curtos. Este fenômeno observou-se quando as plantas estão afetadas por contaminação com metais pesados (Rock et al., 1986). 18

19 2.5.3 O solo no espectro óptico Como conseqüência do efeito da cobertura vegetal não é fácil obter informação do substrato geológico a partir de sensores espaciais. No entanto, podem-se obter alguns dados indiretos sobre as características do solo/litologia graças às anomalias que se possam detectar nessa cobertura vegetal. Exemplos deste tipo de modificações são: distribuição peculiar de espécies, crescimento ou densidade irregular, alterações na pigmentação ou no ciclo fenológico, etc. Se bem que, nem todos estes fenômenos podem estar associados ao substrato geológico, alguns estudos demonstraram a possibilidade de fazermos inferências relativas ao solo com base nas nessas informações da vegetação (Milton et al., 1983; Lulla, 1985). Esta técnica foi batizada com o nome de geobotânica demonstrando grande interesse para estudos regionais (Bruce e Hormsby, 1987). No que diz respeito a solos desnudos, seu comportamento espectral é muito mais uniforme que o da vegetação, mostrando uma curva espectral bastante plana e de caráter ascendente (Fig. 2.8). Os principais fatores que relacionados neste caso são a composição química do solo, sua textura, estrutura e conteúdo de umidade. A composição química é a causa principal da cor dominante do solo (Fig. 2.12). Os solos de origem calcária tentem a cor branca, indicando uma alta refletividade em todas as bandas visíveis. Por sua parte, os solos argilosos oferecem uma maior refletividade no vermelho, como conseqüência do seu alto conteúdo de óxido de ferro. O conteúdo de húmus tem grande influencia na sua cor, tendo uma baixa refletividade, especialmente em torno a 0,7 0,75m (Curran et al., 1990). Figura Espectros de laboratório para diferentes minerais (adaptado de Elachi, 1987). 19

20 Com respeito às características físicas do solo, se pode afirmar, em termo geral, que a refletividade espectral é tanto maior quanto mais fino e compacto é o solo (Lusch, 1989). O conteúdo de umidade é um dos elementos mais destacados na refletividade do solo para estes comprimentos de onda, como conseqüência da alta absortância da água nas bandas do visível. Tem influencia inversa na refletividade do visível e infravermelho, em torno a 1,45m e 1,92m, com maior intensidade nas bandas de absorção de água. Como sabemos a textura, estrutura e o conteúdo de umidade estão altamente correlacionados. Por exemplo, um solo argiloso tende a ter um alto conteúdo de umidade, forte estrutura e fina textura, o que supõe uma baixa refletividade. Em contraste, um solo arenoso tende a ter uma fraca estrutura e um baixo conteúdo de umidade, apresentando uma refletividade mais elevada (Curran, 1985). A tudo isso convém adicionar o efeito da matéria orgânica no solo, que tende a tornar-lo mais escuro e em conseqüência a reduzir a sua refletividade A água no espectro óptico As superfícies aquáticas absorvem ou transmitem a maior parte da radiação visível que recebem, sendo maior a absortância quanto maior seja o comprimento de onda. A curva espectral, por tanto, é similar a do solo, ainda que de sentido contrário. A maior refletividade da água clara se produz no azul, reduzindo-se paulatinamente em direção ao infravermelho próximo e médio, onde já é praticamente nula. Por esta razão, a fronteira terra-água é muito nítida nesta banda. A variabilidade da água é mais facilmente detectável nos comprimentos de onda mais curtos (azul e verde) e se relaciona com a sua profundidade, conteúdo de materiais em suspensão (clorofila, argilas e nutrientes) e a rugosidade da superfície. A falta de transparência da água, relacionada com seu conteúdo de sedimentos, implica um aumento da refletividade em todas as bandas do visível, para distintos diâmetros de partículas (Bhargara e Mariam, 1991). A profundidade da água influi diretamente no aporte de refletividade derivado dos materiais do fundo. Nas águas pouco profundas a refletividade aumenta, já que se mescla o fluxo recebido da refletividade do fundo. Em conseqüência, a absortância será tanto maior quanto mais profunda seja a camada de água. A partir desta relação podem ser abordados alguns estudos de batimetria nas zonas costeiras. Para imagens Landsat-TM se estima que a profundidade de água máxima que se pode determinar alcança os 6,4m na banda do azul, 3m na verde e 2,1m no vermelho (Ji et al., 1992) 20

21 Em relação à composição, diversos estudos têm demonstrado a possibilidade de empregar sensores espaciais para fazer cartografia do conteúdo de clorofila na água (López e Caselles, 1989). Se a água oferece importantes concentrações de clorofila, a refletividade na banda azul tende a decrescer, aumentando na verde. Isto permite estabelecer uma clara correlação, de sinal negativo, entre a refletividade da água na banda azul e o conteúdo de clorofila (Fig. 2.13) o que facilita localizar concentrações de algas (Robinson, 1985) e estudar processos de eutrofização em barragens (Verdin, 1985). Figura Relação entre o conteúdo de clorofila na água e valores adquiridos pelo sensor TM (López e Caselles, Reproduzido com autorização de International Journal of Remote Sensing). O resto dos materiais em suspensão contribui também para aumentar a refletividade, além de que apresentar a água menos transparente. Por ultimo, a rugosidade da superfície favorece a reflexão difusa e em conseqüência uma maior refletividade. Em casos de águas muito tranqüilas a superfície se comporta de modo especular, com valores de refletividade muito variados em função da localização do sensor. Neste caso as medidas tomadas com sensores espaciais produzem valores muito baixos. A neve, por sua parte, oferece um comportamento muito diferente da água. Apresenta uma refletividade elevada nas bandas visíveis reduzindo-se no infravermelho próximo e mais claramente no infravermelho médio. Os fatores mais destacados na refletividade da neve são o tamanho das partículas, a profundidade e densidade da camada existente e a quantidade de impurezas que contenha (Dozier, 1989). A refletividade é maior para a neve fresca que para a neve gelada, mostrando os valores mais baixos a neve suja (Fig. 2.14). A redução pode chegar até os 80% para as bandas visíveis (Hall e Martinec, 1985; Hall, 1988). Às vezes é difícil diferenciar a neve das nuvens no espectro visível. A distinção é mais evidente no infravermelho próximo, já que as gotas ou cristais de gelo das nuvens são 21

22 menores que os grãos de neve e assim absorvem menos radiação nesta banda do espectro. Além disso, habitualmente a neve tem uma maior refletividade que as nuvens no visível e uma textura mais homogênea (Dozier, 1989). Figura Refletividade característica para diferentes tipos de neve (adaptado de Hall e Martinec, 1985). 2.6 O domínio do infravermelho térmico Características da radiação energética no infravermelho térmico De acordo com as leis de Planck [2.4] e Wien [2.6], podemos fixar entre 8 e 14m a banda espectral onde se manifesta com maior claridade a emitância espectral da superfície terrestre, de acordo com a sua temperatura (uns 300K). Esta parte do espectro se denomina infravermelho térmico, porque nos permite detectar o calor que procede dos distintos alvos. Enfim, a radiância espectral que recebe o sensor não é o resultado da reflexão da energia solar sobre a superfície terrestre, senão a radiação emitida pela terra. Como se observou na equação [2.7], a emitância espectral de um objeto está diretamente relacionada com a sua temperatura absoluta. Ao mesmo tempo, a temperatura absoluta se relaciona com a capacidade dos alvos de absorver a radiação solar incidente. Da fórmula [2.11] se deduz que a radiação solar incidente pode ser refletida, absorvida ou transmitida. Considerando que a transmitância é praticamente nula no infravermelho térmico, a expressão pode ser simplificada indicando que nestes comprimentos de onda a energia incidente ou é refletida ou absorvida. Junto a isto, é necessário ter em conta que a 22

23 emissividade espectral de um objeto é equivalente a sua absortância (lei de Kirchoff). Em outras palavras, uma maior absorção, maior emissão, que podemos expressar na fórmula [2.11] da seguinte maneira: 1 [2.13] o que resumindo significa que as superfícies com alta refletividade (caso da neve) são pouco emissivas enquanto que as pouco reflexivas são altamente emissivas (como ocorre com a água). Como já vimos anteriormente, a emissividade de um alvo é uma medida relativa, que coloca em relação a sua emitância com a de um corpo negro. Uma alta emissividade (perto de 1) indica que um objeto absorve e radia uma grande parte da energia incidente, enquanto uma emissividade consideravelmente inferior a 1 se refere a um objeto que absorve e radia uma pequena parte da energia incidente. No caso das coberturas de interesse meio-ambiental, a maior emissividade apresenta a vegetação densa (0,99) e a água (0,98), enquanto os valores mais baixos correspondem aos solos arenosos (0,90), neve (0,80) e metais (0,16). O conteúdo de umidade modifica notavelmente estes valores. Assim estudos com solos arenosos obtiveram aumentos de emissividade de 0,90 a 0,94 quando se aumentou em 8% o conteúdo de umidade (Mulders, 1987). Os valores de emissividade se calculam para uma temperatura média, neste caso em torno aos 20ºC (Curran, 1985). A partir da medida da emissividade podemos estimar a emitância global de um objeto, conhecendo a sua temperatura. Neste sentido podemos corrigir a lei de Stefan- Boltzmann introduzindo o parâmetro da emissividade: 4 M n T [2.14] Isto implica que dois objetos situados na mesma temperatura podem apresentar emitâncias radiantes diferentes. Desta forma, parece evidente a necessidade de corrigir os valores de radiância adquiridos pelo sensor considerando a emissividade, que pode ser estimada sempre e quando conhecemos os alvos detectados e que estes sejam suficientemente homogêneos. No caso de áreas cobertas com alvos muito diferentes, cada um deles terá sua própria emissividade e o problema será muito mais complexo. O correto seria fazer uma correção em função de todos os alvos da zona conhecendo-se para tal a emissividade própria de cada um deles. Em certos trabalhos se utilizou um mapa de ocupação do solo prévio para facilitar a correção das emissividades (Caselles et al., 1984), ainda que é possível utilizar uma correção de radiâncias-temperaturas com medidas tomadas no terreno ou em estações meteorológicas (Caselles et al., 1983). Recentes trabalhos demonstraram que em zonas com coberturas vegetais suficientemente densas, basta incorporar a emissividade da vegetação deixando de fora a do solo simplificando consideravelmente os cálculos. Mas adiante, veremos com detalhe os procedimentos para 23

24 proceder ao cálculo de temperaturas a partir de imagens adquiridas nesta região do espectro. Além da emissividade o comportamento térmico de um objeto está relacionado outros parâmetros. Os mais importantes são sua capacidade térmica, condutividade, difusividade, inércia térmica e índice de aquecimento. A capacidade térmica (C) indica a capacidade do alvo para armazenar calor. A capacidade térmica por unidade de massa se denomina calor específico (c). As massas de água possuem uma maior capacidade térmica, por isso podem armazenar mais calor que a vegetação ou os solos. A condutividade térmica (k) mede o ritmo de transmissão do calor neste alvo. As áreas urbanas são boas condutoras de calor enquanto que a vegetação e os solos resistem mais a esta transferência. Por isso, a temperatura diurna em zonas de cobertura vegetal está principalmente em função da temperatura da sua camada superior e não das camadas inferiores. A difusividade térmica (K) é uma medida de mudança de temperatura que se produz no interior dos alvos. Em geral, as superfícies secas difundem as mudanças de temperatura para baixo a uma velocidade menor que as superfícies úmidas. Por ultimo, a inércia térmica (P) se refere a resistência de um material às mudanças de temperatura. Este parâmetro está diretamente relacionado com a condutividade (k), o calor específico (c) e a densidade do material (D), de acordo com a seguinte fórmula: P D c k [2.15] Os solos secos e arenosos, com baixa inércia térmica, oferecem severos contrastes entre as temperaturas diurnas e noturnas. Por outro lado, os solos úmidos e argilosos são muito mais resistentes às mudanças e apresentarão temperaturas diurnas inferiores e noturnas superiores aos solos secos (Fig. 2.15). A inércia térmica pode ser detectada mais facilmente nos momentos de máxima e mínima insolação, aproximadamente as 12 e 24h, respectivamente. Em relação ao índice de aquecimento, está em função da intensidade da radiação e da absortância do objeto. A intensidade é menor naquelas zonas com árvores, com nuvens ou com edifícios que impedem a radiação direta. Também se vê afetado diretamente pela declividade ou orientação das ladeiras. 24

25 Figura Inércia térmica estimada para diferentes alvos (adapatado de Short, 1982) Comportamento espectral da vegetação no infravermelho térmico As propriedades térmicas da vegetação são bastante complexas em virtude de que absorve uma grande quantidade de energia solar que recebe para realizar a fotossíntese. Esta energia é re-emitida durante a noite para manter o balanço energético. Por esta razão, a temperatura media das massas vegetais é mais baixa que o ar circundante ao longo do dia e mais alta durante a noite. A inércia térmica da vegetação é alta graças ao importante conteúdo de umidade, fundamental para a vida das plantas. Precisamente, desde o ponto de vista térmico um dos processos mais destacados no sinal oferecido pela vegetação é o que regula seu ciclo hídrico. A evapotranspiração supõe uma liberação de calor para realizar a transferência da água armazenada nas folhas para o estado gasoso. Este processo supõe uma redução da temperatura por isso as plantas tendem a estar mais frias durante o dia que o seu entorno. Pelo contrário, durante a noite se re-emite a energia coletada durante o dia, na banda do térmico, o que explica que exista uma maior temperatura nas bordas das massas vegetais. Esta variação térmica permite detectar estresse hídrico na vegetação a partir da informação registrada no infravermelho térmico. Apesar de que a maior parte dos estudos de seguimento do estado da vegetação estar sendo feitos no visível (Kerr et al., 1989; Kogan, 1990; Cihlar et al., 1991), nos últimos anos se estão considerando também as imagens térmicas, que permitem determinar modificações na cobertura vegetal, produzidas por processos de desmatamento, desertificação ou estresse hídrico (Walsh, 1987; Running et al., 1989; Seguin et al., 1989). Dentro do comportamento térmico mais usual da vegetação, também é necessário considerar alguns fatores externos as próprias condições da planta. Por exemplo, a evapotranspiração se vê influenciada pela umidade atmosférica, velocidade do vento, 25

26 disponibilidade de luz, temperatura do ar e umidade do solo. A umidade atmosférica reduz a evapotranspiração enquanto que o resto de fatores faz aumenta-la. Outro elemento importante que afeta a emissividade da vegetação é a sua extensão e densidade. As grandes superfícies verdes produzem uma elevada radiação, que pode ser até 30 vezes superior que a correspondente nos solos vizinhos (Curran, 1985) Os solos e a água no domínio do térmico Respeito aos solos, o conteúdo de umidade é o principal fator da sua conduta térmica. Uma maior umidade fará com que o solo apresente uma maior inércia térmica, em virtude de que aumenta o seu calor especifico e a condutividade. Isto faz com que se apresente mais frio durante o dia e mais quente durante a noite que os solos secos. Outros parâmetros que devemos considerar serão a densidade, o calor específico e a condutividade. Diversos estudos de laboratório têm demonstrado como o quartzo apresenta uma densidade e calor específico similar à argila, mas oferece valores de condutividade muito mais elevados. Por isso, sua inércia térmica é maior ao mesmo tempo em que conta com baixos valores de emissividade (0,90). Os solos com alto conteúdo de matéria orgânica oferecem os valores mais baixos de condutividade, por isso tendem a mostrar mais nitidamente as diferenças de temperatura entre o dia e a noite. Dos parágrafos anteriores, se deduz facilmente que a água possui a maior inércia térmica. Esta resistência a mudanças de temperatura é devida a sua alta condutividade: a radiação incidente é fortemente absorvida e transmitida ao longo da superfície por movimentos de convecção, provocando resistências nas mudanças de temperatura. Isto permite detectar com bastante facilidade correntes de água provenientes de fontes distantes do local de análise, como por exemplo, águas com materiais em suspensão (Fig. 2.16) ou descargas de centrais nucleares. Além disso, resulta muito interessante fazer a cartografia da temperatura da superfície marinha para o estudo global do clima, tanto no que se refere as tendências médias (aquecimento de algumas zonas), como também a movimentos particulares das correntes oceânicas. Também é importante para a detecção de bancos de pesca (Tameishi, 1991). No caso da neve, a temperatura, o tamanho dos cristais de gelo e o conteúdo de água no estado líquido afetam a medida da sua temperatura radiante. Como já vimos este alvo oferece a emissividade mais baixa (ou seja, a maior refletividade) com um registro de temperaturas mais baixas que outros alvos do seu entorno. A observação da neve no térmico é de grande ajuda para diferencia tipos de neve e estudar a dinâmica da sua cobertura com o objetivo de estimar o volume de água armazenada (Ferris e Congalton, 1989). 26