DETEÇÃO REMOTA 2011/2012 EXAME ÉPOCA NORMAL 17 de Janeiro de 2012 PARTE I 1 Na figura ao lado encontram-se representadas curvas de radiação para corpos negros a temperaturas características de diversos objectos. Quer o eixo das abcissas, que respeita ao comprimento de onda (µm), quer o das ordenadas, que respeita a valores relativos da energia radiada, se encontram numa escala logarítmica. 1.1 Como varia a área por baixo de cada uma das curvas? Que lei traduz essa variação? 1.2 O que representa a linha assinalada com um X? Que lei traduz essa linha? 1.3 Qual das curvas melhor traduz a assinatura espetral de uma floresta a arder? Qual o comprimento de onda que escolheria para monitorizar um incêndio florestal? Justifique a sua resposta. A B C D 2 A figura ao lado representa a refletância (%) em função do comprimento de onda (µm) para os sucessivos estádios fenológicos de uma folha, desde o estado de verde até ao de castanho, passando pelo amarelo e pelo laranja. 2.1 Quais das quatro curvas (A, B, C, ou D) representa a folha no estado verde? Justifique a sua resposta. 2.2 Que comprimentos de onda utilizaria para remotamente monitorizar este tipo de vegetação? 2.3 Dê um exemplo de um índice de vegetação que tire partido da assinatura radiativa deste tipo de folha. Faça um esquema da sua variação no espaço espetral adequado. 1
I II 3 A figura ao lado representa a refletância (em %) em função do comprimento de onda para dois grupos de materiais: vegetação e carvão. 3.1 Qual dos dois grupos (I ou II) corresponde a carvão? Justifique a sua resposta. 3.2 Quais as vantagens da utilização do MIR na deteção de áreas queimadas na Amazónia? 3.3 Explique por que razão a refletância do MIR se não obtém diretamente a partir das medições de um dado satélite. 4 O conjunto de instruções abaixo é utilizado no software Bilko para programar uma fórmula que permite calcular uma máscara de terra a partir de valores de contagem de uma dada imagem. A fórmula baseia-se no facto de, na imagem em consideração, os pixéis localizados em terra nunca apresentarem valores superiores a 45. Explique o significado de cada uma das instruções que compõem a fórmula. 2
DETEÇÃO REMOTA 2011/2012 EXAME ÉPOCA NORMAL 17 de Janeiro de 2012 PARTE II 5 Na figura ao lado encontra-se representado um conjunto de valores medidos in situ da temperatura cinética de diversas massas de água versus respetivos valores da temperatura radiativa estimados por deteção remota. 5.1 Explique os conceitos de temperatura cinética e de temperatura radiativa. Quando é que estes valores são coincidentes para um dado corpo? 5.2 Explique o conceito de emissividade. 5.3 Da relação obtida entre os valores da temperatura cinética e os valores da temperatura radiativa, que pode concluir acerca da emissividade das massas de água em causa? Justifique a sua resposta. 6 A figura ao lado representa uma imagem de alta resolução (3 3 m) no infravermelho térmico onde se pode observar a descarga de um efluente num rio. 6.1 Sabendo que a imagem foi obtida um pouco antes da alvorada (aprox. 5 horas da manhã), será que a representação dos pixeis foi feita numa escala invertida de cinzentos? Tenha em conta a hora de aquisição da imagem e as tonalidades de cinzento do rio e da margem. 6.2 O que pode concluir acerca da temperatura das águas do efluente relativamente às águas do rio? Justifique a sua resposta. 6.3 Assumindo que a imagem foi radiometricamente corrigida e que tendo sido obtida a baixa altitude se podem desprezar os efeitos da atmosfera, mostre como se podem estimar as temperaturas do rio e do efluente. 3
7 A figura ao lado mostra, para o caso da água pura, os valores dos coeficientes de atenuação por absorção (curva a cheio) e por dispersão (curva a tracejado) em função do comprimento de onda (nm). 7.1 Qual a região do espetro onde a radiação é quase integralmente absorvida e onde simultaneamente não há dispersão? 7.2 Dê uma razão plausível para a água aparecer azul aos nossos olhos 7.3 Explique, com base na figura, o recurso ao infravermelho próximo para discriminar a terra das massas de água. 8 A figura em baixo representa os valores mensais de três parâmetros relevantes para a monitorização do coral nas ilhas Maldivas: a climatologia média mensal para o período 1985-1993, a média mensal máxima (MMM) e a temperatura limiar de branqueamento. 8.1 Dê a definição dos três parâmetros e identifique quais as curvas da figura que lhes correspondem. 8.2 Em que condições é que os corais ficam em stress térmico? E quando é que se pode ter uma situação de branqueamento dos corais em massa? 4
DETEÇÃO REMOTA 2011/2012 EXAME ÉPOCA NORMAL 17 de Janeiro de 2012 COTAÇÃO PARTE I PARTE II 1. 2.5 valores 2.5 valores 1.1 1.00 val. 5.1 1.00 val. 1.2 1.00 val. 5.2 1.00 val. 1.3 0.50 val. 5.3 0.50 val. 2. 3.0 valores 2.5 valores 2.1 1.00 val. 6.1 1.00 val. 2.2 1.00 val. 6.2 0.50 val. 2.3 1.00 val. 6.3 1.00 val. 3. 2.5 valores 3.0 valores 3.1 0.50 val. 7.1 1.00 val. 3.2 1.00 val. 7.2 1.00 val. 3.3 1.00 val. 7.3 1.00 val. 4. 2.0 valores 2.0 valores 8.1 1.00 val. 8.2 1.00 val. 10 valores 10 valores RESOLUÇÃO 1. PARTE I 1.1 A área por baixo de cada uma das curvas representa a radiação total,, emitida por unidade de área e por unidade de tempo para cada um dos corpos negros considerados (à respectiva temperatura ). Esta quantidade é regida pela lei de Stefan- Boltzmann que estabelece que é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta do corpo negro, isto é: 5
1.2 A linha assinalada com X une os pontos de emissão máxima de cada corpo negro e é regida pela lei dos deslocamentos de Wien que estabelece que o comprimento de onda dominante,, isto é, o comprimento de onda para o qual se tem emissão máxima, é inversamente proporcional à temperatura absoluta do corpo negro: 1.3 A curva que melhor traduz a assinatura espectral de uma floresta a arder é a do corpo negro à temperatura absoluta de 800 K (objecto ao rubro). O comprimento de onda para esta temperatura é da ordem de 4 µm, razão por que este comprimento de onda (localizado na banda do infravermelho médio) seria o mais adequado para a monitorização de incêndios florestais. 2. 2.1 Devido à presença nas folhas de clorofila e de outros pigmentos absorventes, a vegetação verde absorve muito bem a radiação solar na banda do visível (em particular no vermelho), mas dispersa fortemente a radiação solar na banda do infravermelho próximo. À medida que as folhas se vão deteriorando (passando de verde a amarelo, laranja e castanho ), diminui a reflectividade no infravermelho próximo enquanto aumenta a reflectividade no visível (em particular no vermelho). Assim, é a curva B aquela que melhor traduz a assinatura espectral de uma folha verde. 2.2 Escolheria as bandas do vermelho e do infravermelho próximo por serem aquelas em que se tem um maior contraste entre vegetação verde e a generalidade das outras superfícies naturais. Assim é, por exemplo, que os solos tendem a apresentar um contraste relativamente pequeno entre as reflectividades no vermelho e no infravermelho próximo. 2.3 Os índices de vegetação tendem a focar-se exclusivamente na interpretação da assinatura espectral das diversas superfícies naturais quando interagem com a radiação solar incidente. Em particular, aqueles índices tendem a basear-se no facto de a vegetação verde exibir um gradiente muito acentuado na reflectância espectral próximo de 0.7 µm, em contraste com muitas outras superfícies naturais, em particular os solos secos e húmidos, em que esse gradiente é muito menos acentuado. Um índice que tira partido das características mencionadas é o Índice de Vegetação por Diferenças Normalizadas (NDVI), definido pela relação: onde Red e NIR representam as reflectâncias nas bandas do vermelho e do infravermelho próximo, respectivamente. 6
3. 3.1 Uma das características da assinatura espectral do carvão é a sua elevada reflectância na banda do infravermelho médio (λ ~ 4 µm) em contraste com os valores muito baixos da reflectância nessa banda característicos da vegetação verde. Assim sendo, serão as curvas do grupo II as que correspondem à assinatura espectral do carvão. 3.2 Nas regiões dos trópicos, as assinaturas espectrais das áreas queimadas têm, geralmente, um carácter efémero, em contraste com o que ocorre nas regiões temperadas e boreais onde se pode esperar até ao final da época de incêndios para mapear as cicatrizes devidas aos fogos que tiveram lugar nos meses antecedentes. Em particular, no caso da Amazónia, a identificação das áreas queimadas deve ser efectuada em simultâneo com a ocorrência de fogos activos em pixéis vizinhos, razão por que, em geral, se terá que a área em estudo estará contaminada por aerossóis de fumo que dificultam a observação da superfície na medida em que reduzem o contraste espectral entre os diferentes tipos de coberto do solo. Dado que o sinal no infravermelho médio (MIR) é muito pouco afectado pela presença de aerossóis de fumo, a banda do MIR apresenta-se especialmente adequada para a monitorização da superfície durante episódios de fogo activo. 3.3 A reflectância no MIR não pode ser obtida directamente a partir de medições efectuadas por instrumentos a bordo de satélites na medida em que, numa dada medição, estão presentes diversas fontes radiativas, nomeadamente as associadas à emissão térmica pela superfície e pela atmosfera, e ainda as associadas à reflexão solar pela superfície e pela atmosfera. Durante o dia natural, a componente solar reflectida pela superfície é da mesma ordem de grandeza da componente emitida pela superfície pelo que se tem de recorrer a metodologias apropriadas que permitam separar a reflectância no MIR da totalidade do sinal medido pelo instrumento a bordo do satélite. 4. A instrução: atribui o nome simbólico Threshold à constante 45. A instrução: atribui o nome simbólico Mulls2 à banda #1 (input). A instrução: atribui o nome simbólico Landmask à banda #3 (output). 7
Finalmente, o par de instruções: assigna o valor 1 ( terra ) a um dado pixel da banda #3 caso o respectivo valor de contagem da banda #1 for menor ou igual a 45 e assigna o valor 0 ( não terra ) caso o respectivo valor de contagem da banda #1 for maior do que 45. 5. PARTE II 5.1 A temperatura cinética é uma medida da energia cinética de translação média, a qual está associada ao movimento microscópico desordenado de átomos e moléculas. A temperatura cinética é medida com termómetros em contacto com o objecto. A temperatura radiativa é uma medida do fluxo radiante emitido por um corpo e é medida por radiómetros colocados a certa distância do corpo. A temperatura cinética coincide com a temperatura radiativa apenas quando se trata de um corpo negro. 5.2 A emissividade,, é definida como sendo a razão entre a radiância,, emitida por um dado corpo real e a radiância,, que seria emitida por um corpo negro à mesma temperatura: 5.3 Os valores da temperatura cinética e da temperatura radiativa estão muito próximos uns dos outros, uma vez que a recta de regressão tem declive muito próximo de 1, ordenada na origem muito próxima de 0 e coeficiente de variação muito próximo de 1. As massas de água em causa têm pois um comportamento muito próximo do de um corpo nero pelo que a sua emissividade será muito próxima de 1 ( ). 6. 6.1 A água tem uma capacidade calorífica muito superior à do solo e, sendo assim, pouco antes do nascer do solo quando o acumulado de energia radiante libertada para a atmosfera atinge o valor máximo a temperatura da água do rio será bastante superior à da das margens. Ora, como o rio apresenta tons de cinzento mais claros do que a margem, pode concluir-se que os valores de radiância estão representados numa escala de cinzentos não invertida (isto é, em que os tons de cinzento são tanto mais claros quanto mais elevados os valores representados). 8
6.2 Tendo em conta o que ficou dito na alínea anterior, e uma vez que o efluente apresenta tonalidades de cinzento muito mais claras do que as do rio, ter-se-á que a temperatura da água do efluente é mais elevada do que a do rio. 6.3 Sabendo que a água se comporta como um corpo negro, ter-se-á que a radiância,, emitida por cada pixel do rio será totalmente determinada pela respectiva temperatura absoluta, isto é, ter-se-á que: onde λ é o comprimento de onda central da banda, T é a temperatura absoluta do pixel e é a função de Planck. A temperatura do pixel pode, por conseguinte, ser obtida por inversão da função de Planck, isto é, através da relação: onde é a função inversa de Planck. 7. 7.1 No infravermelho próximo (740-800 nm), quase toda a radiação incidente é absorvida pela água, conforme indicado pelos valores muito elevados do coeficiente de atenuação por absorção, tendo-se ainda que são desprezáveis os efeitos de dispersão, tal como indicado pelos valores muito baixos do coeficiente de atenuação por dispersão. 7.2 Os efeitos de dispersão são importantes nas porções do violeta, azul-escuro e azul claro do espectro, sendo também nestas regiões que se tem uma menor absorção da radiação. Tem-se, assim, que ambos os efeitos contribuem para que seja naquelas regiões do visível que mais radiação chegue aos nossos olhos. 7.3 As massas de água aparecem muito escuras, mesmo negras, nas regiões do infravermelho próximo dado que absorvem quase todo o fluxo radiativo incidente, especialmente quando se trata de águas profundas e com pouca quantidade de materiais suspensos ou de matéria orgânica. O mesmo se não passa com as regiões emersas, vegetadas ou nuas, que reflectem o infravermelho próximo. Tem-se, assim, no infravermelho próximo, um contraste grande entre massas de água e terras emersas, razão por que aquela banda é especialmente útil para discriminar a terra das massas de água. 8. 8.1 A média mensal climatológica é dada pelo valor médio de cada mês para os 9 anos considerados (1985-1993); trata-se da curva assinalada com os símbolos +. A média mensal máxima (MMM) é a temperatura média esperada durante o mês mais quente, sendo, por isso, dada pelo valor máximo inter-anual da média mensal climatológica; trata-se da curva a tracejado. A temperatura limiar de branqueamento é obtida adicionando 1ºC à MMM; trata-se da curva a traço cheio. 9
8.2 Os corais ficam em stress térmico quando a temperatura da água for superior à temperatura limiar de branqueamento, tendo-se uma situação de branqueamento do coral quando o stress térmico persistir no tempo, persistência esta que é avaliada em graus-semana de aquecimento. 10