REFLECTÂNCIA DA FOLHA - UFRGSBG R LênioSoares Galvão Entre os pigmentos da folha, clorofila éo...

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PROPRIEDADES ESPECTRAIS DA VEGETAÇÃO

� Reflectância da Folha;

� Reflectância do Dossel;

� Índices de Vegetação e Parâmetros do Dossel;

� Fatores que Afetam a Determinação de Índices de Vegetação;

� Fatores Relacionados com a Superfície;

� Fatores de Origem Externa.

Lênio Soares Galvão

REFLECTÂNCIA DA FOLHA

� Curva de reflectância típica da folha verde:


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� Curva de Reflectância típica do dossel :

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4

Wavelength (um)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6R

efl

ec

tan

ce

.

.

.

.

leaf water absorption

Red edge

Chlorophyllabsorption

VISIBLE NEAR-INFRARED

BG R


� Entre os pigmentos da folha, clorofila é o constituinte mais importante. A clorofila produz bandas de absorção bem definidas nos intervalos do azul e do vermelho para converter a água dos solos e o carbono da atmosfera em carboidratos (fotossíntese);

� Além de clorofila, outros pigmentos de interesse incluem carotenos e xantofilas (pigmentos amarelos) e antocianinas (pigmento vermelho);

�A clorofila mascara a aparência de feições espectrais dos pigmentos amarelos. Entretanto, quando o conteúdo de clorofila diminui (estágio de senescência), os pigmentos amarelos tendem a ser dominantes (coloração amarela das folhas), e antocianina também pode ser produzida em grandes quantidades (cor vermelho-claro das folhas);


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� Os níveis de pigmentos variam com as espécies, estação e estágio fenológico. Dados de reflectância podem ser usados para tentar quantificar estes pigmentos;

Sims e Gamon (2000)

Carotenóides

Clorofila


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Carotenóides


� Diferenças espectrais devidas à pigmentação na faixa do visível podem ser úteis para discriminar espécies que apresentam resposta similar no infravermelho próximo;


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� A estrutura interna das folhas das plantas controla em grande parte a reflectância no infravermelho próximo;


� A faixa do infravermelho próximo é muito importante para a discriminação de espécies com características distintas de dossel e estrutura celular de suas folhas;


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� As bandas de absorção em 1400 nm e 1900 nm, devidas ao conteúdo de água líquida das folhas, prevalecem no espectro da folha no infravermelho médio. Outras feições em 1200 nme 960 nm são melhor observadas nos espectros de dosséis, e podem ser mapeadas com sensores hiperespectrais;


REFLECTÂNCIA DO DOSSEL

� A reflectância do dossel é determinada por muitos fatores: características espectrais dos componentes do dossel, efeitos atmosféricos, arquitetura do dossel face a geometria de coleta de dados, e influência do solo (background);

� A radiação incidente sobre um componente do dossel (p.ex., uma folha) produz espalhamento (fluxo refletido especular e difuso mais transmissão) e absorção, que são dependentes do comprimento de onda, do alvo, e dos parâmetros de iluminação e de visada (ângulo azimutal e zenital solar, ângulo de visada);


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� O espalhamento da radiação pela vegetação é não-Lambertiano, com efeitos significativos para valores altos de ângulo zenital solar e de visada;


� Para dosséis esparsos, os efeitos atmosféricos variam de acordo com o substrato. Em relação a substratos claros, dosséis sobre substratos escuros são mais sensíveis aos efeitos atmosféricos e menos sensíveis às variações dos ângulos solares, no intervalo do vermelho. O contrário tende a ser observado no infravermelho.


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� A arquitetura do dossel descreve a distribuição espacial da vegetação (esparso ou denso, estruturado ou não-estruturado), e a densidade e orientação de seus componentes;

� Para um dossel homogêneo, as folhas podem ser caracterizadas pelo seu Índice de Área Foliar (LAI) e pela sua Distribuição de Ângulo da Folha (LAD);

� LAI é a razão da área dos elementos da vegetação para a área do terreno. LAD é uma função da inclinação da folha e do ângulo azimutal das folhas. Os dosséis são normalmente classificados em 6 tipos de distribuição: planófila, erectófila, plagiófila, extremófila, uniforme e esférica.



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� Um dossel é composto por muitas folhas com variável inclinação e com diferentes valores de ângulo azimutal. A magnitude do sinal medido é dependente do LAD.


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� O substrato pode complicar a estimativa dos parâmetros do dossel. A reflectância do dossel pode aumentar, diminuir, ou permanecer constante com o ângulo solar, dependendo do tipo de solo;


� Os fatores mencionados podem ser modelados para uma melhor estimativa dos parâmetros do dossel (LAI, fAPAR, % de cobertura do terreno) através do uso de técnicas de inversão da reflectância do dossel (e.g., modelo SAIL).


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ÍNDICES DE VEGETAÇÃO E PARÂMETROS DO DOSSEL

� Quando a vegetação emerge sobre um solo, um decréscimo na reflectância do vermelho (absorção) e um aumento na resposta do infravermelho próximo (espalhamento) são normalmente observados;


� A linha do solo, a relação entre a radiância ou reflectânciado vermelho e infravermelho próximo das superfícies do solo, fornece a base conceptual dos índices de vegetação convencionais;


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� Existem numerosos índices de vegetação. Em geral, eles podem ser divididos em dois grupos: índices baseados em razão e índices ortogonais (Huete, 1989);

� Os exemplos mais comuns de índices de razão incluem o “ratio vegetation index” (RVI = NIR/R de Pearson e Miller, 1972) e o “normalized difference vegetationindex” (NDVI = (NIR - R)/(NIR + R) de Rouse et al., 1974);

� Um exemplo de índice ortogonal é o “two-bandperpendicular- vegetation index” (PVI = {{{{(Rsoil - Rveg)2

- (NIRsoil - NIRveg)2}}}}1/2 de Richardson and Wiegand, 1977);

� Diversas variações de NDVI foram propostas tais como:

� o “soil-adjusted vegetation index” (SAVI = {{{{(NIR -R)/(NIR + R + L}}}} . (1 + L), de Huete, 1988), onde L é o fator de correção para o efeito de correção do solo;

� o “atmospherically resistant vegetation index” (ARVI = (NIR - (R - γγγγ (B - R))/(NIR + (R - γγγγ(B - R)), de Kaufman and Tanré, 1992), onde γγγγ é o fator de correção da atmosfera;

� o “soil adjusted atmospherically resistant vegetationindex” (SARVI), de Kaufman and Tanré, 1992;


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� Um índice de vegetação ideal deve:

a) ser globalmente aplicável para monitorar diferentes comunidades de vegetação;

b) ter bom desempenho para estimar parâmetros do dossel (LAI, fAPAR, fitomassa, % de cobertura do terreno);

c) realçar a contribuição espectral da vegetação verde;

d) minimizar a contribuição do substrato, da geometria de iluminação e de visada, e da atmosfera.



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FATORES QUE AFETAM A DETERMINAÇÃO DE ÍNDICES DE VEGETAÇÃO

� Índices de vegetação podem variar significativamente de acordo com vários fatores intrinsecamente relacionados com a superfície (Fatores de Superfície) ou com a aquisição de dados (Fatores Externos);

� Os principais Fatores de Superfície incluem os efeitos do substrato, sombreamento e orientação de superfície, e presença de componentes biofísicos;

� Fatores de Origem Externa incluem a geometria de iluminação e de visada, parâmetros do sensor (posicionamento de bandas e largura), e efeitos atmosféricos.


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FATORES RELACIONADOS COM A SUPERFÍCIE

� Em relação aos efeitos do substrato, solos claros ou escuros podem produzir diferentes valores de índice de vegetação para dosséis de cobertura esparsa;

� A sensibilidade do NDVI ao escurecimento do solo resulta em estimativas errôneas dos parâmetros do dossel;

� SAVI foi proposto para minimizar a influência do solo e produzir melhores estimativas dos parâmetros do dossel;



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� Sombreamento e efeitos de orientação da superfície são dependentes dos ângulos zenital solar e de visada, do espaçamento, da altura, largura e orientação das fileiras da cultura, e da composição e arquitetura do dossel;

� Consequentemente, faces iluminadas (1) e sombreadas (2) da vegetação e do solo (3 e 4) produzem índices variáveis no mesmo ambiente de cultura;


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� Fatores biofísicos, tais como a presença de vegetação não-fotossinteticamente ativa (p.ex., folhas secas) no interior do dossel ou sobre os solos, podem afetar a estimativa dos parâmetros do dossel (LAI, fAPAR);

� Pequenas quantidades de liteira podem aumentar ou diminuir o NDVI de solos e vegetação verde, respectivamente.

500 900 1300 1700 2100 2500

Wavelength (nm)

0

10

20

30

40

50

Re

fle

cta

nc

e (

%)

Soil (0.095)

NPV + Soil (0.344)

Soil + NPV (0.234)

.

.

.

.


FATORES DE ORIGEM EXTERNA

� Mudanças na geometria de iluminação e de visada, em conjunto com efeitos do substrato, produzem variações de NDVI para a mesma % de cobertura do terreno pelo dossel;


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� Pequenas variações de NDVI, em função dos ângulos zenital solar e de visada, tendem a ser observadas com valores crescentes de LAI ou de dosséis esparsos para densos;


� Um dos fatores menos estudados é a influência do posicionamento e da largura de bandas (parâmetros do sensor) sobre o cálculo dos índices;

SENSOR RED

Interval

BAND (nm)

Width Center

NIR

Interval

BAND (nm)

Width Center

MSS 600-700 100 650 800-1100 300 950

AVHRR

TM

HRV

OPS

MODIS

580-680

630-690

610-680

630-690

620-670

100

60

70

60

50

630

660

645

660

645

725-1100

760-900

790-890

760-860

841-876

375

140

100

100

35

912

830

840

810

858

Table 1 – Red (R) and near-infrared (NIR) nominal bandpasses

of some orbital sensors. The wavelength values of the bands are

given for widths at half maximum.


20

750 850 950 1050

NIR Band Center (nm)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

ND

VI

Sensor

TM

OPS

HRV

MODIS

MSS

AVHRR

Bandwidth

10 nm

100 nm

200 nm

(a)

.

.

.

.

Near infraredband positioninginfluence


600 620 640 660 680 700

R Band Center (nm)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

ND

VI

Sensor

TM

OPS

HRV

MODIS

MSS

AVHRR

Bandwidth

10 nm

20 nm

50 nm

(b)

.

.

.

.

Red bandpositioninginfluence


21

750 850 950 1050

NIR Band Center (nm)

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

ND

VI

Co

ntr

as

t

Sensor

TM

OPS

HRV

MODIS

MSS

AVHRR

(a)

.

..

.

600 620 640 660 680 700

R Band Center (nm)

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

ND

VI

Co

ntr

as

t

Sensor

TM

OPS

HRV

MODIS

MSS

AVHRR

(b)

.

.

.

.

NDVI contrast between green vegetation and nonphotosynthetic vegetation

R at 677 nm NIR at 750 nm


� A atmosfera diminui a resposta espectral dos índices em função dos efeitos aditivos e subtrativos do espalhamento e da absorção nos intervalos do vermelho e do infravermelho próximo, respectivamente;

750 800 850 900 950 1000 1050 1100

Wavelength (nm)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

NDVI m

inus NDVI

View Angle (Degrees)

0

30

60

oxygen

Water Vapor

Water Vapor

Water Vapor

srar

.

.

.

.


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