Assinatura espectral de alvos agrícolas detectados em imagens do satélite WorldView-2 Jeziel André Ferreira Sobrinho Marcelo de Carvalho Alves Universidade Federal de Mato Grosso - UFMT Laboratório de Sensoriamento Remoto e Geoinformação (SERGEO) Av. Fernando Correa da Costa, nº 2367, Cuiabá - MT, Brasil jeziel.andre@hotmail.com; mdecalves@ufmt.br Abstract. This study aimed to analyze the spectral signatures of targets in images of the satellite WorldView-2. For this research, were used images from WorldView-2 satellite with a spatial resolution of 5 cm of june 211. Were chosen three crops for the analysis: Cane sugar, Maize and Sunn. The images were subjected to atmospheric correction and conversion of the pixel digital numbers in reflectance. For extraction of spectral profiles were chosen 24 points for each culture studied, including 12 points in healthy places and 12 points in locations with injuries caused by nematodes. Based on analyzes of the data, the results of spectral profiles showed that the contaminated areas on the maize and sunn showed lower reflectance when compared to the healthy areas. This was due to the degradation of the structure of the roots, causing indirect damage on leaves caused by Pratylenchus nematodes in both crops. In the case of cane sugar, the areas infected with nematodes had reflectance values greater when compared to the healthy areas, probably due to lower of disease infestation, not changing the structure of the leaf to the point of completely degrade the plant. On this research it was possible to identify the infestation by nematodes in different crops studied by indirect inference of injury observed in plants on the images of the WorldView-2 satellite. Palavras-chave: remote sensing, digital image processing, agriculture, spectral profile, sensoriamento remoto, processamento de imagens digitais, agricultura, perfil espectral. 1. Introdução O sensoriamento remoto pode desempenhar um papel importante para o monitoramento de culturas agrícolas a fim de manejar adequadamente as lavouras em detrimento à identificação e o controle de pragas, doenças e plantas daninhas. Marchiorato et. al (22) utilizaram ferramentas de sensoriamento remoto para detectar fitonematóides em plantações de algodão. Os autores observaram relação entre o índice de vegetação NDVI e a densidade populacional dos nematóides. Reis et. al. (26) identificaram a relação entre a radiação solar refletida do trigo com a intensidade de ocorrências de doenças nas plantas por meio de espectro-radiometro. Observou-se relação entre níveis de reflectância menores e a incidência de ferrugem no trigo. Como pode ser observado, as técnicas de sensoriamento remoto podem ser utilizadas para diversos objetivos, entre eles esta a identificação de patossistemas em culturas agrícolas. Nesse contexto, objetivou-se analisar as assinaturas espectrais de alvos agrícolas infestados, ou não, com nematóides no município de Jaciara -MT, obtidos em imagens do satélite WorldView-2. 2. Metodologia de Trabalho A área de estudo refere-se a um agroecossistema irrigado por pivô-central cultivado com milho e crotalária e agroecossistema de cultivo de sequeiro com cana-de-açúcar em uma fazenda localizada no município de Jaciara, Mato Grosso (Figura 1). 387
Figura 1. Localização da área de estudo, coordenadas em UTM, fuso 21 sul. Para a realização desta pesquisa, foram avaliadas áreas na lavoura que continham áreas com injúrias em plantas infestadas com nematóides Pratylenchus e Helicotilenchus, identificados após análise de solo e raiz em laboratório, que foram inoculados em campos de produção suscetíveis a esses organismos. As culturas agrícolas analisadas neste estudo foram: Cana-de-açúcar (Saccharum officinarum L.); Crotalária (Crotalaria juncea) e Milho (Zea mays). Para a realização da análise espectral, procedeu-se as correções geométricas e atmosféricas nas 8 bandas das imagens de junho de 211. Este procedimento foi necessário, pois, caso não realizado, pode acarretar em erros na hora da extração dos perfis espectrais (Chander et. al., 29). Em seguida, foram obtidos os respectivos valores de reflectância de 24 pontos em cada cultura analisada, sendo 12 pontos onde foram identificados anomalias e 12 pontos de plantas saudáveis. Para a extração dos perfis espectrais, utilizou-se o módulo Atcor2 do software Erdas IMAGINE, em que o operador selecionou na imagem um ponto (pixel) de interesse para observar o comportamento espectral do respectivo alvo ao longo de uma faixa de comprimento de onda nas bandas espectrais do satélite. Neste caso, a resolução espectral do satélite WordView-2 estava entre,4 à 1,4 µm. A resolução espacial da imagem foi de 5 cm. O procedimento de seleção de pontos de interesse foi repetido cinco vezes para cada classe selecionada na imagem para a obtenção de seus respectivos perfis espectrais, a fim evitar erros. Após a realização de todos esses procedimentos, foi analisada a relação entre reflectância com as anomalias que foram identificadas nas culturas estudadas (crotalária, cana e milho). 388
3. Resultados e Discussão Após os procedimentos de correção e processamento da imagem, as seguintes figuras e perfis espectrais dos alvos selecionados foram gerados. A 8 B CANA Normal Mancha 6 4 2,43,48,55,61,66,72,83,91 Figura 2. (A) Imagem do satélite WorldView 2, em junho de 211, (composição 5-vermelho, 3-verde, 2-azul) da área de estudo com destaque para a área com cultivo de cana-de-açúcar (polígono em cor vermelha) e a mancha encontrada (círculo em cor laranja). (B) Perfil espectral da lavoura de cana-de-açúcar sadia e doente. Conforme mostrado na Figura 2, observou-se uma pequena diferença entre as curvas espectrais da cana-de-açúcar sadia e a com manchas na lavoura. Este comportamento, em hipótese, pode ser resultado da mínima alteração estrutural da planta em conseqüência da ocorrência de organismos-praga ou aplicação inadequada de insumos na lavoura. Menegatti e Silva (21) estudando lavouras de cana de açúcar observaram que a planta sofre diversas injúrias quando infestadas com nematóides. Com esta infestação, a planta sofre danos (reduções) em seu sistema radicular (raízes) e, conseqüentemente, isso altera a estrutura da planta em geral, incluindo a folha fazendo com que este fenômeno possa ser identificado por meio da imagem de satélite que, neste caso, obteve maior reflectância. 389
A 8 Crotalária 8 Mancha crotalária 6 4 2 6 4 2 B,43,48,55,61,66,72,83,91 C,43,48,55,61,66,72,83,91 Figura 3. (A) Imagem do satélite WorldView 2, em junho de 211, (composição 5- vermelho, 3-verde, 2-azul) da área de estudo com destaque para a área com cultivo de Crotalária, com seu respectivo perfil espectral da área sadia (B), e da área doente (C). No caso da lavoura com crotalária, também observou-se picos de reflectância na banda 8. Nas áreas com plantas sadias, esse comportamento pode ter ocorrido pois a estrutura das folhas sadias possuem a característica de alta reflectância na faixa de comprimento de onda entre,8 e 1,2 µm. Porém, nas manchas encontradas na lavoura devido à infestação do nematóide Pratylenchus (perfil espectral C), a reflectância na banda 8 diminuiu para 38%. Este comportamento provavelmente ocorreu devido à infestação do nematóide na raiz da planta que, conseqüentemente, altera as propriedades na folha, degradando-a. Com isso houve uma menor reflectância, principalmente na faixa do espectro eletromagnético da banda 8 (,96 µm) e da banda 7 (,831 µm), ambos na faixa do infravermelho próximo. Comparando os dois perfis espectrais, tanto da área com cultivo de Crotalária quanto ao correspondente à área com nematóide, observou-se que houve uma pequena variação nos valores de 39
reflectância na faixa de,55 µm, sendo que a área infestada com nematóides apresentou valores menores. Esse comportamento pode ter ocorrido em função do estágio de infestação que, conforme pode ser observado na Figura 3, aparentou estar em estágio avançado o que fez com que outras faixas espectrais, além da banda 8, tivessem alteração de comportamento espectral, como foi o caso da banda 3, onde os valores de reflectância da crotalária com injúrias foram menores que os da crotalária sadia. A 8 Milho Sadio 8 Mancha Milho 6 4 2 6 4 2 B,43,48,55,61,66,72,83,91 C,43,48,55,61,66,72,83,91 Figura 4. (A) Imagem do satélite WorldView 2, em junho de 211, (composição 5- vermelho, 3-verde, 2-azul) da área de estudo com destaque para a área com cultivo de Milho, com perfil espectral (B) de região sadia, e o perfil espectral (C) da região com injúrias nas plantas. A assinatura espectral correspondente ao milho sadio apresentou picos com 6% de reflectância na banda 8 (,96 µm) e de 49% de reflectância na banda 7 (,831 µm). Nas bandas 1 (,427 µm) e 5 (,659 µm) houve menor reflectância de energia eletromagnética devido à absorção de luz para a fotossíntese das plantas. Nas assinaturas correspondentes, as manchas encontradas na mesma lavoura, observou-se menor reflectância nas bandas 7 (,831 µm) e 8 (,96 µm), pois o nematóide pratylenchus infectou as raízes das plantas reduzindo a 391
parte aérea da planta e o número de folhas o que, conseqüentemente, fez com que houvesse redução nos índices de relfectância nos comprimentos de onda que abrangem o infravermelho próximo (Figura 4). Cabe ressaltar que nas duas situações apresentadas na Figura 4, o comportamento espectral teve influência, principalmente, do estado em que se encontravam as folhas da cultura do milho. Folhas sadias, como as que foram observadas no perfil B, apresentam uma característica de forte reflectância na faixa entre,8 e 1,2 µm (Novo, 1989). Tal fenômeno ocorreu devido à estrutura celular da folha que fez com que ocorresse uma maior reflectância nesta faixa espectral. Porém, como observado no perfil C, as injurias na cultura do milho em conseqüência ao ataque do nematóide Pratylenchus fazem com que ocorra uma degradação de toda a planta, inclusive de sua estrutura celular que, nesse caso, fez com que a energia solar fosse refletida em menor porcentagem nas bandas do infravermelho próximo e no infravermelho. 4. Conclusões Foi possível identificar a infestação por nematóides nas diferentes culturas estudadas com as injúrias encontradas na imagem de satélite juntamente com as alterações de comportamento espectrais, exceto na área com cana-de-açúcar onde não foi possível identificar a causa específica que causou as injúrias. Porém, a análise das imagens possibilitou a identificação de uma anormalidade que, posteriormente, pode ser detalhada com análises laboratoriais. As imagens do satélite WorlView-2 apresentaram potencial de uso para identificar doenças em agroecossistemas. Estudos futuros podem ser realizados com a finalidade de caracterizar o padrão espacial destas anomalias que afetam diversas culturas agrícolas. Referências Bibliográficas Chander, G.; Markham, B.L.; Helder, D.L. Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI sensors. Remote Sensing of Environment, v. 113, p. 893-93, 29. Marchiorato, I. A.; Rudorff, B. T.; Santos, J. M.; Santos Junior, R. F. Utilização do sensoriamento remoto para a detecção de Meloidogyne incógnita em algodão. In: Simpósio Internacional de Agricultura de Precisão, 2, 22, Viçosa. Anais... Viçosa: Embrapa, 22. On-ine. Disponível em: <http://www.dpi.inpe.br/sil/cst31/aulas/aula7_dadossr/apoio/disciplina_introdu%c3%a7ao%2ao%2s ensores_lu/monografia/ndvi/siap24.pdf>. Acesso em: 28 Nov. 212. Menegatti, S.; Silva, J. Nematóides em Cana-de-açúcar. Biblioteca digital centro canagro José Coral. Disponível em: <http://www.cana.com.br/biblioteca/cartilha_praga/nematoides.pdf>. Acesso em: 15 Set. 212. Novo, E.M. de M. Sensoriamento remoto: principios e aplicações. São Paulo. Edgard Blucher. 1989. 38p. Reis, E. M., Leites, A.; Forcelini, C.A. Relações entre intensidade da ferrugem da folha, refletância da radiação solar e rendimento de grãos na cultura do trigo Embrapa 16. Fitopatologia Brasileira 31:447-454. 26. 392