Comportamento Espectral
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COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE OBJETOS (ALVO) Peterson Ricardo Fiorio Definição: Sensoriamento Remoto “ É a ciência ou a arte de se obterem informações sobre um objeto, área ou fenômeno, através de dados coletados por aparelhos denominados sensores, que não entram em contato direto com os alvos em estudo (Crepani, 1983)” Histórico  Origem vinculada a fotografia aérea  Podemos dividir em dois períodos: 1860 - 1960 (fotografias aéreas) 1960 - hoje (fotografias e imagens)  Desenvolvimento do Sensoriamento Remoto: Matemática; Física; Química Biologia; Ciências da Terra e Computação. Histórico Qual o verdadeiro interesse no Sensoriamento Remoto?  1862 - Guerra civil americana (corpo de balonistas)  1909 - Fotografias tiradas de aviões  1914 - I Grande Guerra Mundial  1939 - II Grande Guerra Mundial  1945 (49) - 1989 (muro Berlim) 1991 Guerra Fria - U2 - Corrida espacial  Hoje.... Princípios Físicos do SR Aquisição/Armazenamento/Processamento Plataforma Imagens Sensor R.E.M. INPE Comp. Espectral Alvo Princípios Físicos do SR Espectro Eletromagnético Princípios Físicos do SR Espectro Eletromagnético  < 0.003 nm - Raios Gama: Origem nuclear, alto poder de penetração;  0,003 - 100nm - Raios X: Altamente penetrante, origem atômica;  100 - 400nm - Ultravioleta: Atenuação pela atmosfera (dificulta seu uso - poluição marinha e detecção de minerais;  400 - 760nm - Luz visível: Sensação de visão ao olho humano;  760 - 3.000nm - Infravermelho: absorvido pela maioria das substâncias produzindo aquecimento, minerais de argila e radicais OH;  3.000 - 15.000nm - Infravermelho térmico;  15.000nm - 0.1 cm - Infravermelho distante;  0.1cm - 30 cm - Microondas: Radar, pouca atenuação da atmosfera;  > 30cm - Ondas de Rádio: comunicação, longas distâncias (à f; Ä λ) Princípios Físicos do SR Luz Visível (400nm - 760 nm): - violeta (400 - 460 nm) - anil (460 - 475 nm) - azul (475 - 490 nm) - verde (490 - 565 nm) - amarelo (565 - 575 nm) - laranja (575 - 600 nm) - vermelho (600 - 760 nm) Infravermelho (760 nm - 3.000 nm): - IV Próximo (760 - 1.500 nm) - IV Médio (1.500 - 3.000 nm) Princípios Físicos do SR Espectro Eletromagnético Comportamento espectral de Alvos Fatores que interferem no comportamento espectral medido dos alvos  Nível de aquisição  Geometria de aquisição dos dados  Parâmetros atmosféricos  Parâmetros relativos ao alvo Fatores que interferem no comportamento espectral medido dos alvos  Nível de aquisição 920 km 400 km Altitude 3000 m ≅ 300 m ≅ 20 m Fotografias Aéreas Orbital Fatores que interferem no comportamento espectral medido dos alvos  Geometria de aquisição dos dados Fatores que interferem no comportamento espectral medido dos alvos  Geometria de aquisição dos dados Ângulo zenital (θz): com o aumento do ângulo zenital solar ocorre uma diminuição da irradiância solar na superfície do alvo o que diminui a energia refletida aumentando a porcentagem de energia difusa sobre a superfície do alvo. θz E. Irradiada no alvo E. Refletida do alvo E. Difusa do alvo Caminho da E. pela Atmosfera Fatores que interferem no comportamento espectral medido dos alvos  Geometria de aquisição dos dados Ângulo de visada (θv): Um aumento do ângulo de visada acarreta em um aumento do componente de radiância da atmosfera na energia refletida do alvo. θv E. Difusa do alvo E. Refletida no Sensor Caminho da E. pela Atmosfera Fatores que interferem no comportamento espectral medido dos alvos  Geometria de aquisição dos dados Ângulo azimutal: A variação do ângulo azimutal do sol e do sensor altera a distribuição de energia na superfície do alvo. Condição Ideal: = 00  θz = 200  θv = 50 ÂΨ Maior porcentagem de energia refletida em todos os comprimentos de onda Fatores que interferem no comportamento espectral medido dos alvos  Parâmetros atmosféricos Os principais fatores que interferem na energia refletida do alvo que atingem o sensor são:  UMIDADE: relação direta nos fenômenos de absorção e espalhamento de determinado λ pela atmosfera.  AEROSSÓIS: Contribuem para o espalhamento Molecular (Rayleigh) Atmosfera λ>Ø Mie H2O Aerossóis Espalhamento λ≡Ø Não Seletivo λ<Ø Fatores que interferem no comportamento espectral medido dos alvos  Parâmetros atmosféricos - espalhamento Molecular (Rayleigh) λ>Ø Espalhamento devido aos gases que se encontram na atmosfera. Quando o menor λ maior o espalhamento. λ de 475 nm (Azul) λ de 600 nm (Vermelho) Fatores que interferem no comportamento espectral medido dos alvos  Parâmetros atmosféricos - espalhamento Mie λ≡Ø O comprimento de onda da radiação é aproximadamente igual ao diâmetro das partículas em suspensão no ar promovendo assim um espalhamento seletivo. Céu avermelhado em época de seca dando a maior concentração de partículas no ar no tamanho do λ vermelho. Fatores que interferem no comportamento espectral medido dos alvos  Parâmetros atmosféricos - espalhamento Não Seletivo λ<Ø Ocorre quando o diâmetro das partículas são maiores que os comprimentos de ondas de qualquer componente da luz solar visível. Neste caso a radiação de diferentes comprimentos de onda serão espalhadas em todas as direções com igual intensidade. COMPORTAMENTO ESPECTRAL H2O Solo Vegetação Comportamento Espectral  Vegetação REM Reflectância Delgadas - Transmitância Absortância Folhas Espessas – Reflectância Transmitância Folhas escuras e espessas (xerófilas) Galhos polpudos de dos cactos. Comportamento Espectral  Vegetação Visível IV Próximo IV Curto Reflectância, absortância e trasmitância de uma folha Comportamento Espectral  Vegetação – Folha - Interação com a REM REM Parênquima Paliçadico Cutícula Epiderme superior Nervuras Seiva Bruta Parênquima Gasoso Nervuras Seiva Elaborada Mesófilo Esponjoso Cloroplastos Estômatos Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas Região do visível: (400 – 760 nm)  Resposta Espectral - pigmentos das folhas existentes nos cloroplastos  No cloroplasto temos: 65% clorofila, 6% carotenóide e 29% xantofila.  Em geral a cor amarelada ou alaranjada dos carotenóides (carotenos e xantofilas) é mascarada pela cor verde da clorofila, sendo que quando a clorofila é degradada predominam cores mais amarelas a alaranjadas  A clorofila a grande responsável pela absorção da R.E.M. no visível (azul-violeta e vermelho) – Fotossíntese (Energia Luminosa – Química).  A pigmentação das folhas altera a resposta espectral das folhas apenas na região do visível. Comportamento Espectral  Vegetação Azul Verde Verm. Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas - Visível Clorofila Carotenóides e Xantofilas Azul Verde Vermelho Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas Região do Infravermelho – Próximo: (760 – 1500 nm) IV Próximo II Grande Guerra – Fotografias Aéreas Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas Região do Infravermelho - Próximo  A cutícula e o epiderme de uma folha são praticamente transparente a radiação de IV- Próximo.  A IV Próximo ao chegar as células do mesófilo esponjoso e às cavidades existente no interior das folhas é espalhado e submete-se as múltiplas reflexões e refração que ocorrem devido a diferença dos índices de refração do ar (1.0) e das paredes celulósicas hidratadas (1.4). Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas - IVP Normal Infiltrada com Água Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas - IVP Região do Infravermelho - Próximo Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas - IVP Cultura do feijão aos 42, 50 e 68 dias de idade (Cunha, 2000) Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas - IVP H2O H2O Índices de refração do ar (1.0) e das paredes celulósicas hidratadas (1.4) Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas - IVP Refletância aditiva 50 % 100 % Total Refletido: 62,625% 12,5 % 25 % 25 % 3,125 % 6,25 % 6,25 % 1,5625 % 1,5625 % Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas - IVP Refletância aditiva Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas Região do Infravermelho – Médio: (1500 - 3000 nm) IV Médio Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas Região do Infravermelho – Médio: (1500 - 3000 nm)  Nessa região a resposta espectral de uma folha sadia é caracterizada principalmente pela absorção de energia pela água que ocorrem próximas a 1500nm 1900nm e 2700nm.  Essa absorção de energia promove as transições dos estados vibratórios e rotacionais das moléculas de água. Comportamento Espectral  Vegetação Reflectância Espectral das Folhas - IVM Degradação Clorofila Folha sadia Folha de milho, onde variou o teor de umidade Comportamento Espectral  Vegetação Fatores que afetam a Reflectância da Cobertura Vegetal Germinação / Desenvolvimento Inicial Desenvolvimento Vegetativo Florescimento Maturação/ Senescência Domínio Espectral do solo Domínio Espectral da Cobertura Verde Domínio Espectral por Vegetação Seca/Solo De uma forma geral os fatores que afetam a reflectância da Cobertura Vegetal são, A natureza estrutural e geométrica. (Forma, tamanho, orientação das plantas e das suas folhas, práticas culturais... Comportamento Espectral  Solos O solo tem seu comportamento espectral influenciado por diversos fatores, sendo os mais importantes: UMIDADE TEXTURA COR CTC TEOR DE ÓXIDOS DE FERRO TEOR DE MATÉRIA ORGÂNICA CONDIÇÕES DE SUPERFÍCIE Comportamento Espectral  Solos UMIDADE TEXTURA COR FERRO M. O. CTC Comportamento Espectral  Solos 0,35 IVM Visível IVP Fator de Reflectância 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 RQo LVd LVe LVef NVef NVefpp CXef 0 450 700 950 1200 1450 1700 Comprimento de onda (nm) 1950 2200 2450 Comportamento Espectral  Solos Elementos que atuam na intensidade da curva espectral Umidade: 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. Teor de matéria orgânica: com 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. Comportamento Espectral  Solos Elementos que atuam na intensidade da curva espectral Quartzo: devido a sua alta refletância solos com maiores quantidades de quartzo apresentam maiores intensidades, ou seja, maiores refletâncias em toda a curva espectral. Magnetita: (mineral proveniente de rochas básicas) Por ser um mineral opaco apresenta grande absorção da R.E.M diminuindo a intensidade de refletância por todo a curva espectral marcando também os picos de absorção em todo o espectro. Comportamento Espectral  Solos Comportamento Espectral  Solos Bandas de absorção em 950nm 1200 nm, 1400 nm e 1900nm H2O e Grupos OH (minerais)  As bandas de absorção em 950nm e 1200nm são muito fracas sendo mais difícil de serem percebidas.  As bandas de 1400nm e 1900nm H2O e Grupos OH (1:1) H2O e Grupos OH (2:1) Comportamento Espectral  Solos Bandas de absorção em 950nm 1200 nm, 1400 nm e 1900nm :1 1 : 2 1 + + O O H2O 2 2 H H H2O Comportamento Espectral  Solos Caulinita (2200 nm) A caulinita é um mineral 1:1 que apresenta uma curva característica interessante na sua banda de absorção o degrau em 2200nm. Segundo Ben-Dor (2000) nesse comprimento de onda a água em excesso mascara o efeito dos grupos OH da caulinita devido a sua menor superfície específica. O O H H H H O O O O H H H O H2 H Feição Típica Caulinita (Degrau) Interação – H2O O O Comportamento Espectral  Solos Caulinita (2200 nm) Comportamento Espectral  Solos Caulinita (2200 nm) Caulinita Comportamento Espectral  Solos Óxidos de Ferro e Aluminio (450 – 760 nm) e (760 – 1000 nm) Hematita Goethita A hematita apresenta cores mais vermelhas enquanto a Goethita apresenta cores amarelas. Apresentam alta absorção na região do visível e baixa absorção no infravermelho próximo, em uma pequena banda de absorção centrada em 850 nm. Comportamento Espectral  Solos Óxidos de Ferro e Aluminio (450 – 760 nm) e (760 – 1000 nm) Hematita (600 – 700 nm) Goethita (565 – 575 nm) Comportamento Espectral  Solos CTC A capacidade de troca catiônica é inferida pela curva espectral a qual pode diferenciar solos com maiores teores de argila e matéria orgânica e que pode inferir uma CTC mais elevada. 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 Comportamento Espectral  Água Água no estado líquido: apresenta baixa refletância entre 380 nm e 700 nm, absorvendo toda R.E.M. acima de 700 nm. Água em forma de nuvens: apresenta altíssima 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 até 2500nm. Comportamento Espectral  Água Comportamento Espectral  Água Comportamento Espectral  Água
