Sensoriamento Remoto Hiperespectral PPGCC. Enner Alcântara Departamento de Cartografia Universidade Estadual Paulista Presidente Prudente

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1 Sensoriamento Remoto Hiperespectral PPGCC Enner Alcântara Departamento de Cartografia Universidade Estadual Paulista Presidente Prudente 2014

2 Comportamento Espectral de Alvos

3 Comportamento Espectral de Alvos É o conjunto de medidas de radiância de um objeto, efetuadas sob condições conhecidas ou controladas, sendo que cada medida corresponde ao valor médio em diferentes comprimentos de onda (Slater, 1980). Esse comportamento é válido para o instante da aquisição da informação! Slater, 1980

4 Comportamento Espectral de Alvos Uma das questões fundamentais para a interpretação das imagens de satélite é a de atribuir significado às diferentes cores com as quais os objetos da superfície são registrados. Para a maioria dos alvos naturais, a interpretação do significado físico das cores são simples, pois essas cores resultam de seu comportamento espectral. Inúmeros fatores externos ao alvo exercem influência: como a geometria de imageamento, e aqueles fatores inerentes a ele, como o teor de umidade, por exemplo, no caso dos solos e da vegetação.

5 Comportamento Espectral de Alvos As feições espectrais de um material correspondem às porções das curvas de reflectância em determinado comprimento de onda, com formas e intensidade muito bem definidas e próprias do material; Essas feições são identificadas nos espectros de reflectância como depressões ou picos negativos, indicando absorções da radiação eletromagnética pelos átomos ou moléculas dos constituintes presentes no material;

6 Comportamento Espectral de Alvos São essas feições de absorção que interessam ao sensoriamento remoto, embora o que um sensor mede seja a radiação refletida; A razão disso é que, a parte da radiação incidente sobre o material, que não é por ele absorvida (e transmitida), é refletida e, assim, a intensidade da radiação refletida e detectada por um sensor é uma medida indireta da absortância;

7 Comportamento Espectral de Alvos Alguns materiais, como a água e a vegetação, exibem mecanismos internos de retroespalhamento da radiação transmitida, que promovem seu retorno à superfície do material, sendo detectada pelo sensor; Busca-se caracterizar os produtos dessas interações, que alteram o conteúdo de energia do material; As feições são produzidas como consequências de processos eletrônicos (transições atômicas) e de processos vibracionais (transições moleculares).

8 Estudaremos o comportamento espectral dos seguintes alvos: Vegetação; Água; Comportamento Espectral de Alvos Ambiente construído; Solos e minerais.

9 Sensoriamento Remoto da Vegetação

10 Sensoriamento Remoto da Vegetação Conhecimentos sobre variações de espécies e dos padrões de distribuição das comunidades vegetais, alterações dos ciclos fenológicos (crescimento), e modificações na fisiologia e na morfologia da planta, promovem importantes informações sobre as características climáticas, edáficas, geológicas e fisiográficas de uma área.

11 Sensoriamento Remoto da Vegetação Os cientistas têm empenhado esforços, visando desenvolver sensores e algoritmos de processamento visual e digital de imagens, para extrair importantes informações biofísicas da vegetação a partir de dados de SR. Muitas dessas técnicas são de natureza genérica e podem ser aplicadas a uma variedade de paisagens vegetadas, incluindo: - agricultura - florestas - planícies de inundação - vegetação urbana

12 Fotossíntese É um processo de armazenamento de energia que ocorre em folhas e em outras partes verdes das plantas na presença de luz. O processo fotossintético começa quando a luz solar atinge os cloroplastos, pequenos corpos existentes nas folhas, os quais contêm uma substância verde chamada clorofila.

13 Fotossíntese As plantas adaptaram sua estrutura interna e externa para realizar a fotossíntese. Essa estrutura e suas interações com a energia eletromagnética têm um impacto direto na forma como as folhas e os dosséis vegetais aparecem espectralmente quando registrados usando instrumentos de sensoriamento remoto.

14 Características Espectrais da Vegetação i Uma folha verde sadia intercepta o fluxo radiante incidente (ϕ i ) direto proveniente do Sol ou da radiação difusa espalhada sobre a folha. Esta energia eletromagnética interage com os pigmentos, água e espaços intercelulares internos à folha vegetal. A quantidade de fluxo radiante refletido da folha (ϕ ρ ), a quantidade de fluxo absorvido pela folha (ϕ α ), e a quantidade de fluxo transmitido através da folha (ϕ τ ) podem ser cuidadosamente medidos por meio da equação de balanço de energia.

15 Características Espectrais da Vegetação Dividindo cada uma das variáveis pelo fluxo radiante incidente original, (ϕ i ): i i i i Obtém-se: i Então: i ( )

16 Principais Fatores que Controlam a Reflectância Foliar Os fatores dominantes que controlam a reflectância foliar são os vários pigmentos existentes no mesófilo paliçádico (clorofilas a e b, e o β-caroteno), o espalhamento da energia infravermelha no mesófilo esponjoso e a quantidade de umidade na planta; As principais bandas de absorção pela clorofila ocorrem entre 0,43-0,45µm e 0,65-0,66µm na região do visível;

17 Principais Fatores que Controlam a Reflectância Foliar Uma relativa diminuição de absorção entre as duas bandas citadas produz um decréscimo na eficiência de absorção em aproximadamente 0,54µm, na porção verde; É a menor absorção da luz verde (em comparação com a da luz azul e vermelha) que faz com que as folhas verdes sadias pareçam verdes aos nossos olhos;

18 Principais Fatores que Controlam a Reflectância Foliar Bandas de absorção pela água: 0.97 mm 1.19 mm 1.45 mm 1.94 mm 2.70 mm

19 Comportamento Espectral da Vegetação Secção transversal de uma folha verde hipotética, mostrando tanto o topo como a parte inferior da folha. Os pigmentos foliares nas células do parênquima paliçádico têm um impacto significativo na absorção e na reflectância da luz visível; As células do mesófilo esponjoso têm um impacto significativo na absorção e na reflectância da energia infravermelha.

20 Comportamento Espectral da Vegetação Natural Color (blue, green, and red) Black and white near-infrared Jensen, 2009

21 London, England Black and white infrared aerial photograph Jensen, 2009

22 Color-infrared aerial photograph Jensen, 2009

23 Comportamento Espectral da Vegetação a) As clorofilas a e b da folha vegetal absorvem grande parte da energia azul e da vermelha incidentes; b) Outros pigmentos presentes nas folhas incluem a ficoeritrina, que absorvem preferencialmente a luz verde (0,55µm), e a ficocianina (0,62µm), que absorvem principalmente a luz verde e vermelha.

24 Espectro de absorção da clorofila-a e b, β-caroteno, ficoeritrina, e ficocianina - Chlorophyll a peak absorption is at 0.43 and 0.66 mm. - Chlorophyll b peak absorption is at 0.45 and 0.65 mm. -Optimum chlorophyll absorption windows are: mm, and mm Jensen, 2009

25 Litton Emerge Spatial, Inc., CIR image (RGB = NIR,R,G) of Dunkirk, NY, at 1 x 1 m obtained on December 12, Natural color image (RGB = R,G,B) of a N.Y. Power Authority lake at 1 x 1 m obtained on October 13, 1997.

26 Característica da reflectância spectral da Liquidambar (Liquidambar styraciflua L.) As folhas, verde (a), amarela (b) e vermelha (c) estavam ainda na árvore no momento da coleta; A folha marrom escura (d) foi coletada do chão, debaixo da árvore. Medição realizada em laboratório: [(alvo/placa)*100] Jensen, 2009

27 O aumento da reflectância no visível é a mais consistente resposta da reflectância foliar ao estresse. A reflectância no infravermelho é um indicador consistente do estresse somente quando ocorre severa desidratação foliar. Jensen, 2009

28 Comportamento Espectral da Vegetação Regiões espectrais mais sensíveis ao estresse localizam-se nos intervalos de 535 a 640nm e de 685 a 700nm. Valores mais altos nas proximidades de 700nm, representam o que é chamado de deslocamento da borda vermelha para o azul. Trata-se do deslocamento, em direção aos menores comprimentos de onda, da curva de transição vermelho/infravermelho próximo, em vegetação estressada.

29 Deslocamento da borda vermelha para o azul

30 Comportamento Espectral da Vegetação Em uma folha verde sadia, a reflectância no infravermelho próximo aumenta muito na região entre 700 e 1200nm; A vegetação verde sadia é geralmente caracterizada por uma alta reflectância (40-60%), alta transmitância (40-60%) e relativamente baixa absortância (5-10%);

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32 Comportamento Espectral da Vegetação A alta reflectância difusa da energia do infravermelho próximo (0,7 1,2 µm) é devida ao espalhamento interno causado pelas interfaces, paredes celulares/ar, de dentro da folha; Existe uma banda de absorção causada pelo vapor d água localizada em 0,92-0,98 µm; consequentemente, a região espectral ótima para o sensoriamento no infravermelho próximo é indicada como sendo em 0,74 0,90 µm.

33 Comportamento Espectral da Vegetação As principais razões pelas quais os dosséis de planta sadias refletem tanto no infravermelho próximo são: A folha já reflete de 40-60% da energia no infravermelho próximo devido ao mesófilo esponjoso; Os restantes 45-50% da energia penetram na folha e podem ser refletidos uma vez mais pelas folhas abaixo. Fenômeno chamado reflectância foliar aditiva.

34 Exemplo hipotético de reflectância aditiva de uma copa com duas camadas de folhas Quanto maior o número de camadas de folhas, maior é a reflectância no infravermelho próximo! Jensen, 2009

35 Comportamento Espectral da Vegetação Tem sido demonstrado que existe uma relação direta entre resposta no infravermelho próximo e variáveis relacionadas a biomassa; Por outro lado, também tem sido demonstrado que existe uma relação inversa entre a resposta no visível, particularmente no vermelho, e variáveis relacionadas com a biomassa das plantas; A melhor forma de verificar isso é plotando num gráfico x-y todos os pixels de uma cena, considerando as reflectâncias nas bandas do vermelho e infravermelho próximo.

36 Esse tipo de comportamento para reflectância no RED e IVP, em relação ao desenvolvimento dos dosséis, levou ao desenvolvimento de numerosos índices de vegetação, e de técnicas de estimação da biomassa.

37 Influência do Conteúdo de Água na Vegetação A água é um bom absorvedor da energia no infravermelho médio, de tal forma que quanto maior a turgidez das folhas, menores as reflectâncias no infravermelho médio; Inversamente, à medida que o conteúdo de umidade das folhas diminui, a reflectância no infravermelho médio aumenta; A diminuição do conteúdo de água na planta nos espaços de ar intercelular, faz com que a energia do infravermelho médio incidente nas folhas seja mais intensamente espalhada pelas interfaces das paredes intercelulares, resultando em maiores valores de reflectância no infravermelho médio; Os comprimentos de onda entre 1,5-1,8µm e 2,1-2,3µm são tidos como os mais sensíveis a mudanças de umidade da planta.

38 Variação da resposta espectral da vegetação (uma única folha) em função do conteúdo de água

39 Índices de Vegetação Desde a década de 60, os cientistas vêm extraindo e modelando vários parâmetros biofísicos da vegetação com o uso de dados de sensoriamento remoto; Grande parte desse esforço tem envolvido o uso de índices de vegetação - que são medidas radiométricas adimensionais, as quais indicam a abundância relativa e a atividade da vegetação verde, incluindo índice de área foliar (IAF), porcentagem de cobertura verde, teor de clorofila, biomassa verde, e radiação fotossinteticamente ativa absorvida (RFAA).

40 Índices de Vegetação Um índice ideal deve: Maximizar a sensibilidade a parâmetros biofísicos das plantas, preferencialmente de uma forma linear, para que esta sensibilidade seja fidedigna para uma grande amplitude de condições da vegetação e para facilitar a validação e a calibração de índices; Normalizar ou modelar efeitos externos tais como o ângulo solar, o ângulo de visada e as interferências atmosféricas, de modo a permitir comparações espaciais e temporais;

41 Índices de Vegetação Um índice ideal deve: Normalizar efeitos internos, tais como variações no substrato abaixo do dossel, incluindo topografia, solos, e diferença quanto à vegetação senescente ou presença de ramos lenhosos; Ser acoplável a algum parâmetro biofísico mensurável, tais como a biomassa, o IAF, ou a RFAA, para fins de validação e de controle de qualidade.

42 Alguns índices de vegetação Jensen, 2009

43 Alguns índices de vegetação Jensen, 2009

44 Razão Simples (RS) Razão entre o fluxo radiante refletido no infravermelho próximo (ρ nir ) e o fluxo radiante refletido no vermelho (ρ red ): RS nir red Fornece informações sobre a biomassa da vegetação ou sobre o IAF. É especialmente sensível a variações em biomassa ou em IAF para vegetação de grande biomassa, tais como florestas. Jensen, 2009

45 Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI) NDVI O índice assume valores entre -1 e 1, sendo que a vegetação possui valores positivos; corpos d'água e áreas úmidas a resposta é negativa. nir nir red red O NDVI é importante porque: Mudanças sazonais e interanuais no desenvolvimento e na atividade da vegetação podem ser monitoradas; A razão reduz muitas formas de ruídos multiplicativos presentes em múltiplas bandas de imagens de múltiplas datas.

46 Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI)

47 Posição da Borda Vermelha - REP A mudança abrupta da curva espectral de folhas na região entre 680 e 800 nm é causada por efeitos combinados da forte absorção pela clorofila e do espalhamento interno na folha, sendo denominada de borda vermelha (Red Edge). Jensen, 2009

48 Posição da Borda Vermelha - REP A posição da borda vermelha é o ponto de máxima declividade no espectro de reflectância da vegetação entre os comprimentos de onda do vermelho e do infravermelho próximo, e pode ser computado como: REP (Re dedge) (700 nm) (740 nm) (700 nm) (Re dedge) (670 nm) (780 nm) 2 Clevers (1994)

49 Posição da Borda Vermelha - REP Werff et al. Sensors (2008)

50 Sensoriamento Remoto da Água

51 Comportamento Espectral da Água A interpretação do significado da variação de cores da água em imagens de satélite é ainda mais complexa do que sua interpretação para os demais alvos, devido principalmente: a região de maior penetração de luz na água ( nm) e de maior interação entre a radiação eletromagnética e os componentes da coluna d água é profundamente afetada pela atmosfera; a transmitância da água é muito alta e variável, o que faz com que a energia emergente do volume d água integre informações relativas a diferentes profundidades para um mesmo corpo d água; Jensen, 2009

52 Comportamento Espectral da Água os componentes opticamente ativos da água apresentam espectros de absorção semelhantes, o que muitas vezes torna difícil sua discriminação quando ocorrem simultaneamente no ambiente; a reflectância da água é muito pequena, em torno de 4%, o que faz com que os sensores disponíveis sejam muitas vezes insensíveis às mudanças de cores; a reflectância da superfície da água é mais elevada que a do volume e afetada por fatores como o vento e a geometria de aquisição. Jensen, 2009

53 Water Surface, Subsurface Volumetric, and Bottom Radiance A radiância total, (L t ) registrada por um sensor é uma função da energia eletromagnética proveniente de quarto fontes: L p é a porção da radiância registrada, resultante da radiação solar direta (E sun ) e indireta (E sky ), que não chega a superfície da água. É a radiância de trajetória. L s é a radiância solar e atmosférica descendente que alcança a interface ar-água, mas que penetra cerca de 1mm na água sendo, portanto, essencialmente refletida na superfície da água. Contém informação espectral valiosa sobre a superfície; L t L p L s L v L b Jensen, 2009

54 Water Surface, Subsurface Volumetric, and Bottom Radiance L t L p L s L v L b L v é a radiância da radiação solar e atmosférica descendente que de fato penetra a interface ar-água, interage com a água e seus constituintes e então emerge da coluna d água sem interagir com o fundo; L b é a radiância registrada resultante da radiação solar e atmosférica descendente que penetra a interface ar-água, alcança o fundo do corpo d água e é propaganda de volta na coluna d água até sair do corpo d água e alcançar o sensor. Jensen, 2009

55 Sensoriamento Remoto da Água A radiância total (L t ) : L t L p L s L v L b 1) L p = radiância de trajetória 2) L s = reflectância de superfície 3) L v = reflectância volumétrica 4) L b = reflectância de fundo.

56 Examples of Absorption of Near-infrared Radiant Flux by Water and Sun-glint Black and white near-infrared photograph of water bodies in Florida Black and white near-infrared photograph with Sun-glint Jensen, 2009

57 Atenuação pela absorção e espalhamento na água pura Jensen, 2009 A absorção molecular da água predomina no ultravioleta (>400nm) e na faixa do amarelo até a porção do infravermelho próximo (<580nm). Praticamente todo fluxo incidente que penetra num corpo de água pura é absorvido no IVP e médio ( nm), sendo o efeito de espalhamento desprezível.

58 Atenuação pela absorção e espalhamento na água pura O espalhamento na coluna d água é importante especialmente nas porções violeta, azul escuro e azul claro do espectro ( nm). Essa é a razão pela qual a água pura é azul aos nossos olhos. Jensen, 2009

59 Water Penetration Cozumel Island Palancar Reef Caribbean Sea SPOT Band 1 ( mm) green SPOT Band 2 ( mm) red SPOT Band 3 ( mm) NIR Jensen, 2009

60 Componentes opticamente ativos Rudorff, 2006

61 Rudorff, 2006

62 Fatores que Influenciam a Luz Emergente (1) Retroespalhamento pelo material inorgânico; (2) Retroespalhamento pela molécula de água; (3) Absorção pela matéria orgânica dissolvida; (4) Reflexão do fundo; (5) Retroespalhamento pelo fitoplâncton

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65 Selected Band-ratio Algorithms Used to Remotely Sense Phytoplankton Abundance Jensen, 2009

66 Global Chlorophyll a (g/m 3 ) Derived from SeaWiFS Imagery Obtained from September 3, 1997 through December 31, 1997 Jensen, 2009

67 Red Tide caused by red or brown phytoplankton dinoflagellates off La Jolla, California Jensen, 2009

68 Sensoriamento Remoto do Ambiente Urbano

69 Sensoriamento Remoto do Ambiente Urbano As paisagens urbanas são compostas por um conjunto diversificado de materiais: - Concreto; - Asfalto; - Metal; - Plástico; - Telhas de madeira; - Vidro; - Água; - Grama, vegetação arbustiva, árvores, solo...

70 Sensoriamento Remoto do Ambiente Urbano Usos: - Zoneamento; - Desenvolvimento econômico e de comércio; - Aumento na arrecadação de impostos; - Transporte; - Parques, recreação e turismo; - Gerenciamento de emergências; - Empresas imobiliárias; - Cientistas que modelam condições hidrológicas em ambiente urbano, mudanças climáticas etc...

71 Curvas típicas de ambientes urbanos e suburbanos na região espectral entre 0,4 0,9 mm.

72 Características temporais e espaciais de atributos urbanos e sistemas de sensoriamento remoto Herold e Roberts (2004)

73 Características temporais e espaciais de atributos urbanos e sistemas de sensoriamento remoto Herold e Roberts (2004)

74 Características temporais e espaciais de atributos urbanos e sistemas de sensoriamento remoto Hepner (2000)

75 Características temporais e espaciais de atributos urbanos e sistemas de sensoriamento remoto Hepner (2000)

76 Características temporais e espaciais de atributos urbanos e sistemas de sensoriamento remoto Moreira (2008)

77 Cavalli et al. Sensors. vol. 8. (2008)

78 The World Health Organization estimates that 100 thousand people in the world die every year from asbestos-related cancers and more than 300 thousand European citizens are expected to die from asbestos-related mesothelioma by 2030 Frassy et al. Sensors. vol. 14. (2014)

79 Sensoriamento Remoto dos Solos e Minerais

80 Sensoriamento Remoto dos Solos, Minerais e Geomorfologia O SR pode prover informações sobre a composição química de rochas e minerais da superfície terrestre que não estejam completamente recobertos por vegetação densa; Para isso a grande ênfase é colocada no entendimento de bandas de absorção específicas associadas com determinados tipos de rochas e minerais, quando é utilizada espectroscopia de imageamento; Pode ser utilizado para identificar relações geobotânicas e para identificar geoquímica dos solos ou tipos de rochas.

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82 Sensoriamento Remoto dos Solos, Minerais e Geomorfologia O solo é o material intemperizado entre a atmosfera terrestre e o leito rochoso abaixo da superfície, até uma profundidade de ~200cm. Jensen, 2009

83 Sensoriamento Remoto dos Solos, Minerais e Geomorfologia Algumas características de solos podem ser medidas via sensoriamento remoto sob determinadas condições. Teoricamente, a radiância total (L t ) que é refletida por um solo exposto e é registrada por um sensor a bordo de um satélite é função da energia eletromagnética das fontes a seguir: L L L L t p s v L p = radiância descendente do Sol e da atmosfera; L s = radiação solar direta e difusa na interface ar-solo; L v = parcela da radiação L s que pode penetrar no solo (mm).

84 Radiância total (L t ) registrada por um sistema sensor de um solo exposto como uma função da REM de muitas fontes. Jensen, 2009

85 Sensoriamento Remoto dos Solos, Minerais e Geomorfologia As características de reflectância espectral dos solos são funções de várias características importantes, incluindo: a textura do solo (% de areia, silte e argila); o conteúdo de umidade do solo; o conteúdo de matéria orgânica; o conteúdo de óxidos de ferro; a salinidade do solo; a rugosidade superficial.

86 Sensoriamento Remoto dos Solos, Minerais e Geomorfologia Solo seco, com pouca matéria orgânica, exibe uma curva de reflectância espectral relativamente simples e menos complexa do que as curvas da vegetação ou dos corpos de água que contêm algas; A reflectância dos solos secos aumenta com o aumento dos comprimentos de onda, especialmente no visível e no IFVP; Jensen, 2009

87 Reflectância de solos secos e úmidos A energia radiante pode ser refletida da superfície do solo seco, ou pode penetrar nas partículas do solo, o qual pode ser absorvido ou espalhado. A reflectância total de um solo seco é uma função da reflectância especular e da reflectância volumétrica interna. Quanto mais fina a textura, maior a capacidade do solo em manter um alto conteúdo de umidade. Quanto maior a umidade do solo, maior será a absorção de energia radiante incidente e, portanto, menor será a quantidade de radiação refletida. Jensen, 2009

88 Reflectância de solos secos e úmidos Quanto maior o conteúdo de umidade em solos arenosos (a) e em solos argilosos (b) menor a reflectância ao longo da região do visível e do IVP, especialmente nas bandas de absorção da água em 1,4μm, 1,9μm, e 2,7μm. Jensen, 2009 Somente é possível diferenciar entre solos argilosos e silto/arenosos, se os solos estão praticamente secos e com pouca matéria orgânica, o qual poderia mascarar tal relação.

89 Matéria Orgânica no Solo Geralmente quanto maior a quantidade de matéria orgânica, maior será a absorção de energia incidente e menor a reflectância espectral. Jensen, 2009

90 Óxidos de Ferro no Solo Presença de óxido de ferro no solo causa um aumento da reflectância entre 0,6-0,7 mm e uma diminuição no IFVP (0,85-0,90 mm) Jensen, 2009

91 Alunite Laboratory Spectra, Simulated Landsat Thematic Mapper Spectra, and Spectra from a 63-Channel GERIS Instrument over Cuprite, Nevada Jensen, 2009

92 AVIRIS data obtained on October 11 and June 18, Jensen, 2009

93 Biological Soil Crust Index (BSCI) A quantidade de matéria orgânica no solo tem impacto significativo nas características de reflectância dos solos; Os solos podem apresentar crostas com material biológico (musgos, líquens, briófitas, algas, fungos, bactéricas...); Para detectar essas crostas biológicas nos solos, Chen et al. (2005) desenvolveram o BSCI: BSCI 1 L [ R R ] red green ( R R R 3 green red nir

94 Biological Soil Crust Index (BSCI) Zhang et al. 2007

95 Biological Soil Crust Index (BSCI) Chen, 2005

96 Até a Próxima!