CaracterCaracteríísticas espectrais sticas espectrais de alvos naturaisde alvos naturais

Aula 4Professor Waterloo Pereira FilhoDocentes orientados: Daniela Barbieri

Felipe Correa

Radiometria espectral

É por meio das medidas radiométricas de laboratório ou de campo que se descobrem com qual intensidade cada material, seja água, solo, vegetação ou minerais e rochas, reflete a radiação eletromagnética nos diferentes comprimentos de onda do espectro eletromagnético (Meneses, 2001).

ρ = 100 LE

Onde:

ρ = reflectância em porcentagem;

E = intensidade da energia incidente;

L = intensidade da energia que deixa a amostra.

Reflectância

Espectrorradiometria de reflectância é uma técnica que tem a função de medir em diferentes comprimentos de onda a energia eletromagnética refletida da superfície dos objetos e representá-la na forma de um gráfico que se denomina curva

de reflectância espectral (Meneses, 2001).

Cada objeto na superfície terrestre apresenta uma curva

espectral indicando reflectância espectral em diferentes bandas

dos sensores remotos, seja ele no visível ou no infra-vermelho.

Assim “quanto maior for o pico de reflectância no gráfico, mais

clara será a cor do objeto (alvo) caracterizado na imagem,

quanto menor for o pico de reflectância no gráfico, mais escura

será a cor do objeto (alvo) caracterizado na imagem.”

(SAUSEN, et al., p.7, 1999).

CaracterCaracteríísticas espectrais sticas espectrais da da ááguagua

A interpretação do comportamento espectral da água em relação aos demais alvos naturais é de grande diferença e complexidade.

Pois a energia refletida pela água é consideravelmente menor que os demais alvos, sendo o fator de maior relevância para estudos por produtos do sensoriamento remoto.

A interpretação dos dados torna-se mais complexa pela interferência atmosférica na região de maior penetração de luz na água, a transmitância variável e alta em função das diferentes profundidades, componentes opticamente ativos da água apresentarem espectros semelhantes e à reflectância da superfície da água que é mais elevada que a do volume e afetada por outros fatores.

Fonte: NOVO, 2008.

Comportamento EspectralComportamento Espectral

� Água no estado líquido: apresenta baixa refletância entre 380 nm e 700 nm nm, absorvendo toda R.E.M. acima de 700 nm.

� Água em forma de nuvens: apresenta alta refletância entre 380 nm e 2500 nm com bandas de absorção amplas próximas de 1000 nm, 1300 nm e 2000 nm.

� Água em forma de neve: elevada refletância, (maior que a das nuvens), entre 700 nm e 1200 nm. De 1200 a 1400nm a refletância decresce rapidamente sendo muito absorvida ou seja com baixa refletância at até 2500nm.

Fonte: NOVO, 2008.

Sistema AquSistema Aquááticotico

•Água

•Substâncias Dissolvidas

•Partículas em Suspensão

•Organismos vivos

Constituintes opticamente ativos (Constituintes opticamente ativos (COAsCOAs))

Composição

Um dos principais interesses do uso do sensoriamento remoto em ambientes

aquáticos é verificar a variação espacial e temporal da composição da água,

possibilitando investigar a origem e o deslocamento de substâncias específicas em

suspensão ou dissolvidas na água (JENSEN, 2009).

Fonte: Rudorff, 2006.

A radiação descendente penetra a interface ar-água, interagindo

com a água e seus componentes opticamente ativos e emergem da

coluna d’água sem interagir com o fundo. Essas radiações fornecem

informações sobre as características da composição da coluna d’água

(JENSEN, 2009).

Fonte: Adaptado de Barbosa, 2005.

Geometria Geometria alvoalvo--fontefonte--sensorsensor para coleta em para coleta em campo de dados espectraiscampo de dados espectrais

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

400 500 600 700 800 900

Comprimento de onda (nm)

Reflectâ

ncia

O fitoplâncton é um grupo heterogêneo composto principalmente

por algas fotossintetizantes que se distribui por grande parte dos

ambientes marinhos e aquáticos continentais. Nestes ambientes, é o

principal responsável pela captação de energia eletromagnética,

produzindo oxigênio durante o processo fotossintético.

ClorofilaClorofila

Todo o fitoplâncton em corpos d’água contém o pigmento fotossinteticamente ativo clorofila a, embora as clorofilas b, c,

d e mesmo e podem estar presentes em várias profundidades.

Fonte: ARRAUT et al., 2005; JENSEN, 2009; CORAZZA, 2010.

A clorofila a ao ser introduzida na água pura provoca mudanças em suas características de reflectância espectral, isto é em sua cor. A figura exibe as características da reflectância espectral da água clara e da mesma água contendo alga composta primariamente por clorofila a. A água clara refletiu aproximadamente 2% entre 400 e 500 nm e diminui gradualmente para menos que 1% em comprimentos de onda maiores que 710 nm. Observa-se que quando a concentração de clorofila aumenta na coluna d’água, há um significativo decréscimo na quantidade relativa de energia refletida nos comprimentos de onda do azul (entre 400 e 500 nm) e do vermelho (aproximadamente em 675 nm), mas um aumento na reflectância do comprimento de onda do verde (JENSEN, 2009).

Medidas in situ de reflectância espectral da água clara e de água contendo clorofila.Fonte: JENSEN, 2009.

Reflectância do Reservatório Passo Real - 9 e 10/06/2010

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

400 500 600 700 800 900

Comprimento de onda (nm)

Re

fle

ctâ

nc

ia

PR 01

PR 02

PR 03PR 04

PR 05

PR 06PR 07

PR 08PR 09

PR 10

PR 11PR 12

PR 13

PR 14PR 15

PR 16

PR 17PR 18

PR 19

PR 20

PR 21

PR 22

PR 23

PR 24

PR 25

PR 26

PR 27PR 28

PR 29

PR 30PR 31

Sedimentos em SuspensãoSedimentos em Suspensão

A alteração da cor da água deve-se a forte absorção da

radiação eletromagnética nos menores comprimentos de onda da faixa

do visível, principalmente na região do azul. Com várias bandas de

absorção sobrepondo-se, estes compostos apresentam uma curva de

absorção semelhante a matéria orgânica dissolvida, com valores altos

no ultravioleta e azul, decrescendo até o verde e valores muito baixos

no vermelho (MANTOVANI e NOVO, 1996; NOVO, 2001).

O TSS compõe dois tipos diferentes de sedimentos em

suspensão, os orgânicos (SOS) e inorgânicos (SIS). Os sedimentos

orgânicos em suspensão estão relacionados principalmente à cor da água.

A figura ilustra a reflectância espectral da água clara (pura) e

da água com concentrações variáveis de sedimentos em suspensão

oriundos de solo siltoso. A reflectância da água clara diminui

continuamente após cerca de 580 nm devido à absorção da coluna

d’água. Quanto a concentração de sedimentos em suspensão aumenta, a

reflectância é maior em todos os comprimentos de onda, principalmente

na faixa 500 e 700 nm. Ainda é verificado um aumento em direção do

infravermelho (JENSEN, 2009).

Medidas in situ de reflectância espectral da água clara e de água com vários níveis de concentração de sedimentos em suspensão de solo siltoso.Fonte: JENSEN, 2009.

CaracterCaracteríísticas espectrais sticas espectrais da vegetada vegetaççãoão

Fonte: Novo, 1992.

Fonte: Jensen (2009).

Gráfico da vegetação dividido em três regiões espectrais:

� Até 0,7 µm a reflectância é baixa (<20%).

� De 0,7 a 1,3 µm temos a região dominada pela alta reflectância da vegetação (30%<ρ<40%).

� De 1,3 a 2,5 µm, a reflectância da vegetação é dominada pelo conteúdo de água das folhas.

Fatores que afetam a reflectância da vegetação

� Fatores Morfológicos

– Densidade da cobertura vegetal

– Densidade de plantio

– Largura da folha

– Distância entre folhas

– Inserção foliar

� Fatores Fisiológicos

– Idade da planta

– Déficit Hídrico

– Tipo e espessura das folhas

– Nutrientes

– Conteúdo de água na folha

Fonte: Jensen, 2009.

Fonte: Ponzoni, 2009.

Simulação de dossel

Fonte: Jensen, 2009.

Influência da umidade

Fonte: Jensen, 2009.

A resposta espectral da vegetação, entretanto, se modifica ao longo do seu ciclo vegetativo. O impacto das alterações fenológicas e morfológicas sofridas pelas plantas que formam o dossel sobre o comportamentoespectral varia:

1 - com a região do espectro

2 - com o tipo de cultura

3 - com ângulo de visada

Fonte: Novo, 2008.

CaracterCaracteríísticas espectrais sticas espectrais dos solosdos solos

1. Umidade (maior umidade causará uma menor reflectância através da porção refletida do espectro eletromagnético);

2. Conteúdo de matéria orgânica ( um aumento em matéria orgânica causará uma diminuição da reflectância);

3. Quantidade de óxido de ferro (um aumento em óxido de ferro causaráuma diminuição de reflectância);

4. Porcentagem relativa de argila, silte e areia (uma diminuição do tamanho das partículas aumentará a reflectância);

5. Características de aspereza da superfície dos solos (uma diminuição na aspereza da superfície causará um aumento do nível de reflectância).

Fatores que afetam a reflectância dos solos

Fonte: Jensen, 2009.

Com o aumento do teor de umidade no solo temos uma maior absorção de energia radiante em todo o espectro da curva, diminuindo a refletância, porém a forma geral da curva não se altera.

Umidade do solo

Fonte: Jensen, 2009.

Solos úmidos, em geral, apresentam uma reflectância menor que os secos, na faixa de comprimento de onda de 400 a 2600 nm. Para ilustrar, na figura ao lado são mostrados várias curvas espectrais de solos contendo diferentes porcentagens de água. É possível observar ainda que todas elas apresentam bandas de maior absorção pela água em 1400 nm, 1900nm e 2200 nm.

Com o aumento do teor de matéria orgânica (>2%) temos uma maior absorção da R.E.M. em todo espectro estudado. Alem disso, a matéria orgânica também mascara a presença dos óxidos de ferro, na região do visível, diminuindo a intensidade dos picos de absorção dos óxidos.

Teor de matéria orgânica

A rugosidade do alvo proporciona uma maior interação com a R.E.M o que promove uma maior absorção quando comparado com uma superfície teoricamente lisa.

Condições de superfície

Reflectância Reflectância

CaracterCaracteríísticas espectrais sticas espectrais dos mineraisdos minerais

As propriedades espectrais de minerais e rochas são passíveis de análise via perfis espectrais onde são observados gradientes e localização de bandas de absorção, sendo principalmente discutida nas regiões do visível e do infravermelho próximo devido a maior disponibilidade de dados.

Os elementos químicos mais abundantes na natureza como Si, Al, O e Mg não possuem feições típicas de absorção. Nos minerais, os elementos ou as substâncias mais importantes que determinam as feições diagnósticas na faixa do espectro refletido são os íons ferroso (Fe2+) e férrico (Fe3+), o carbonato, a água e a hidroxila, os quais tem potencialidade para dar informações indiretas sobre a concentração dos elementos mais abundantes.

Fonte: VENTURINI, 2007.

Os principais componentes das rochas e minerais (p.ex.,oxigênio, silício, alumínio) não produzem feições de absorção no intervalo 400-2500 nm.

Portanto, espectros de minerais e rochas são influenciados pelos componentes menores tais como ferro, magnésio e cálcio.

Fonte: Meneses e Ferreira Júnior, 2001.

ReferênciasReferências

ARRAUT, E. M.; et al. Estudo do comportamento espectral da clorofila e dos sólidos em suspensão nas águas do Lago Grande de Curuai (Pará), na época de seca, através de técnicas de espectroscopia de campo. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, 12., 2005, Goiânia. Anais... Goiânia: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, 2005. p. 2447-2456.

BARBOSA, C. C. F. Sensoriamento remoto da dinâmica da circulação da água do sistema planície de Curuai/Rio Amazonas. Tese de Doutorado, São José dos Campos: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), 2005, 282 p.

CORAZZA, R. Relações entre variáveis espectrais e limnológicas no Reservatório da Usina Hidrelétrica Dona Francisca – RS. 2010. 103f. Dissertação (Mestrado em Geografia) – Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2010.

JENSEN, J. R. Sensoriamento remoto do ambiente: uma perspectiva em recursos naturais. São José dos Campos, SP: Parêntese, 2009.

MENESES, P. R. Fundamentos de Radiometria Óptica Espectral. In.: MENESES, P. R.; NETTO, J. S. M. (Orgs.) Sensoriamento Remoto: reflectância de alvos naturais. Brasília: Embrapa Serrados, 2001.

MENESES, P. R.; FERREIRA JÚNIOR, L. G. Comportamento Espectral de Minerais e Rochas. In.: MENESES, P. R.; NETTO, J. S. M. (Orgs.) Sensoriamento Remoto: reflectância de alvos naturais. Brasília: Embrapa Serrados, 2001.

NOVO, E. M. L. M. Sensoriamento remoto: princípios e aplicações. 2 ed. São Paulo: Blucher, 1992.

NOVO, E. M. L. M. Comportamento Espectral da Água. In: MENESES, P. R.; MADEIRA NETTO, J. das S. (Orgs.) Sensoriamento Remoto: Reflectância de Alvos Naturais. Brasília: UnB, Embrapa Cerrados, 2001. p 203-222.

NOVO, E. M. L. M. Sensoriamento remoto: princípios e aplicações. 3 ed. São Paulo: Blucher, 2008.

PONZONI, F. J.; SHIMABUKURO, Y. E. Sensoriamento Remoto no estudo da vegetação. São Josédos Campos, SP: A. Silva Vieira, 2009.

SAUSEN, T. M. ; RUDORFF, B. F. T. ; SIMI JUNIOR, R. ; AULICINO, L. C. M. . Sensoriamento remoto e suas aplicações para recursos naturais. Vale Paraibano - Encarte Especial, São José dos Campos, p. 1 - 4, 21 ago. 1999.

VENTURINI, A. Curso de introdução às técnicas de sensoriamento remoto. Belém, novembro de 2007.

Questões

1. O que é curva de reflectância espectral?

2. Quais elementos ou fatores que alteram as características espectrais da água pura, do solo, da vegetação e dos minerais?