Características espectrais
de alvos naturais
Aula 4
Professor Waterloo Pereira Filho
Docentes 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).
Reflectância
ρ = 100 L
E
Onde:
ρ = reflectância em porcentagem;
E = intensidade da energia incidente;
L = intensidade da energia que deixa a amostra.
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).
Características espectrais
da água
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 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.
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).
Sistema Aquático
•Água
•Substâncias Dissolvidas
Composição
•Partículas em Suspensão
•Organismos vivos
Fonte: Rudorff, 2006.
Constituintes opticamente ativos (COAs)
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 alvo-fonte-sensor para coleta em
campo de dados espectrais
0,16
0,14
Reflectância
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
400
500
600
700
Comprimento de onda (nm)
800
900
Clorofila
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.
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
0,30
Reflectância
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
400
500
600
700
Comprimento de onda (nm)
800
900
PR 01
PR 02
PR 03
PR 04
PR 05
PR 06
PR 07
PR 08
PR 09
PR 10
PR 11
PR 12
PR 13
PR 14
PR 15
PR 16
PR 17
PR 18
PR 19
PR 20
PR 21
PR 22
PR 23
PR 24
PR 25
PR 26
PR 27
PR 28
PR 29
PR 30
PR 31
Sedimentos em Suspensão
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 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).
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.
Características espectrais
da vegetação
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.
Fonte: Jensen (2009).
Fonte: Novo, 1992.
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.
Simulação de dossel
Fonte: Ponzoni, 2009.
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 comportamento
espectral varia:
1 - com a região do espectro
2 - com o tipo de cultura
3 - com ângulo de visada
Fonte: Novo, 2008.
Características espectrais
dos solos
Fatores que afetam a reflectância dos 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 causará
uma 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).
Fonte: Jensen, 2009.
Umidade do solo
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.
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.
Teor de matéria orgânica
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.
Condições de superfície
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.
Reflectância
Reflectância
Características espectrais
dos 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.
Referências
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
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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?