Assinatura espectral de alvos agrícolas detectados em - DSR

Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE
Assinatura espectral de alvos agrícolas detectados em imagens do satélite WorldView-2®
Jeziel André Ferreira Sobrinho
Marcelo de Carvalho Alves
Universidade Federal de Mato Grosso - UFMT
Laboratório de Sensoriamento Remoto e Geoinformação (SERGEO)
Av. Fernando Correa da Costa, nº 2367, Cuiabá - MT, Brasil
[email protected]; [email protected]
Abstract. This study aimed to analyze the spectral signatures of targets in images of the satellite WorldView-2
®. For this research, were used images from WorldView-2 satellite with a spatial resolution of 50 cm of june
2011. Were chosen three crops for the analysis: Cane sugar, Maize and Sunn. The images were subjected to
atmospheric correction and conversion of the pixel digital numbers in reflectance. For extraction of spectral
profiles were chosen 24 points for each culture studied, including 12 points in healthy places and 12 points in
locations with injuries caused by nematodes. Based on analyzes of the data, the results of spectral profiles
showed that the contaminated areas on the maize and sunn showed lower reflectance when compared to the
healthy areas. This was due to the degradation of the structure of the roots, causing indirect damage on leaves
caused by Pratylenchus nematodes in both crops. In the case of cane sugar, the areas infected with nematodes
had reflectance values greater when compared to the healthy areas, probably due to lower of disease infestation,
not changing the structure of the leaf to the point of completely degrade the plant. On this research it was
possible to identify the infestation by nematodes in different crops studied by indirect inference of injury
observed in plants on the images of the WorldView-2 satellite.
Palavras-chave: remote sensing, digital image processing, agriculture, spectral profile, sensoriamento remoto,
processamento de imagens digitais, agricultura, perfil espectral.
1. Introdução
O sensoriamento remoto pode desempenhar um papel importante para o monitoramento
de culturas agrícolas a fim de manejar adequadamente as lavouras em detrimento à
identificação e o controle de pragas, doenças e plantas daninhas. Marchiorato et. al (2002)
utilizaram ferramentas de sensoriamento remoto para detectar fitonematóides em plantações
de algodão. Os autores observaram relação entre o índice de vegetação NDVI e a densidade
populacional dos nematóides. Reis et. al. (2006) identificaram a relação entre a radiação solar
refletida do trigo com a intensidade de ocorrências de doenças nas plantas por meio de
espectro-radiometro. Observou-se relação entre níveis de reflectância menores e a incidência
de ferrugem no trigo.
Como pode ser observado, as técnicas de sensoriamento remoto podem ser utilizadas para
diversos objetivos, entre eles esta a identificação de patossistemas em culturas agrícolas.
Nesse contexto, objetivou-se analisar as assinaturas espectrais de alvos agrícolas infestados,
ou não, com nematóides no município de Jaciara -MT, obtidos em imagens do satélite
WorldView-2®.
2. Metodologia de Trabalho
A área de estudo refere-se a um agroecossistema irrigado por pivô-central cultivado com
milho e crotalária e agroecossistema de cultivo de sequeiro com cana-de-açúcar em uma
fazenda localizada no município de Jaciara, Mato Grosso (Figura 1).
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Figura 1. Localização da área de estudo, coordenadas em UTM, fuso 21 sul.
Para a realização desta pesquisa, foram avaliadas áreas na lavoura que continham áreas
com injúrias em plantas infestadas com nematóides Pratylenchus e Helicotilenchus,
identificados após análise de solo e raiz em laboratório, que foram inoculados em campos de
produção suscetíveis a esses organismos. As culturas agrícolas analisadas neste estudo foram:
Cana-de-açúcar (Saccharum officinarum L.); Crotalária (Crotalaria juncea) e Milho (Zea
mays).
Para a realização da análise espectral, procedeu-se as correções geométricas e
atmosféricas nas 8 bandas das imagens de junho de 2011. Este procedimento foi necessário,
pois, caso não realizado, pode acarretar em erros na hora da extração dos perfis espectrais
(Chander et. al., 2009). Em seguida, foram obtidos os respectivos valores de reflectância de
24 pontos em cada cultura analisada, sendo 12 pontos onde foram identificados anomalias e
12 pontos de plantas saudáveis.
Para a extração dos perfis espectrais, utilizou-se o módulo Atcor2 do software Erdas
IMAGINE®, em que o operador selecionou na imagem um ponto (pixel) de interesse para
observar o comportamento espectral do respectivo alvo ao longo de uma faixa de
comprimento de onda nas bandas espectrais do satélite. Neste caso, a resolução espectral do
satélite WordView-2 estava entre 0,40 à 1,04 µm. A resolução espacial da imagem foi de 50
cm.
O procedimento de seleção de pontos de interesse foi repetido cinco vezes para cada
classe selecionada na imagem para a obtenção de seus respectivos perfis espectrais, a fim
evitar erros. Após a realização de todos esses procedimentos, foi analisada a relação entre
reflectância com as anomalias que foram identificadas nas culturas estudadas (crotalária, cana
e milho).
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3. Resultados e Discussão
Após os procedimentos de correção e processamento da imagem, as seguintes figuras e
perfis espectrais dos alvos selecionados foram gerados.
A
CANA
80
Normal
B
Reflectância (%)
Mancha
60
40
20
0
0,43
0,48
0,55
0,61
0,66
0,72
0,83
0,91
Comprimento de onda (µm)
Figura 2. (A) Imagem do satélite WorldView 2 , em junho de 2011, (composição 5-vermelho,
3-verde, 2-azul) da área de estudo com destaque para a área com cultivo de cana-de-açúcar
(polígono em cor vermelha) e a mancha encontrada (círculo em cor laranja). (B) Perfil
espectral da lavoura de cana-de-açúcar sadia e doente.
Conforme mostrado na Figura 2, observou-se uma pequena diferença entre as curvas
espectrais da cana-de-açúcar sadia e a com manchas na lavoura. Este comportamento, em
hipótese, pode ser resultado da mínima alteração estrutural da planta em conseqüência da
ocorrência de organismos-praga ou aplicação inadequada de insumos na lavoura.
Menegatti e Silva (2010) estudando lavouras de cana de açúcar observaram que a planta
sofre diversas injúrias quando infestadas com nematóides. Com esta infestação, a planta sofre
danos (reduções) em seu sistema radicular (raízes) e, conseqüentemente, isso altera a estrutura
da planta em geral, incluindo a folha fazendo com que este fenômeno possa ser identificado
por meio da imagem de satélite que, neste caso, obteve maior reflectância.
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A
Crotalária
80
60
40
20
0
B
Mancha crotalária
60
Reflectância (%)
Reflectância (%)
80
40
20
0
0,43 0,48 0,55 0,61 0,66 0,72 0,83 0,91
C
Comprimento de onda (µm)
0,43 0,48 0,55 0,61 0,66 0,72 0,83 0,91
Comprimento de onda (µm)
Figura 3. (A) Imagem do satélite WorldView 2 , em junho de 2011, (composição 5vermelho, 3-verde, 2-azul) da área de estudo com destaque para a área com cultivo de
Crotalária, com seu respectivo perfil espectral da área sadia (B), e da área doente (C).
No caso da lavoura com crotalária, também observou-se picos de reflectância na banda 8.
Nas áreas com plantas sadias, esse comportamento pode ter ocorrido pois a estrutura das
folhas sadias possuem a característica de alta reflectância na faixa de comprimento de onda
entre 0,8 e 1,2 µm. Porém, nas manchas encontradas na lavoura devido à infestação do
nematóide Pratylenchus (perfil espectral C), a reflectância na banda 8 diminuiu para 38%.
Este comportamento provavelmente ocorreu devido à infestação do nematóide na raiz da
planta que, conseqüentemente, altera as propriedades na folha, degradando-a. Com isso houve
uma menor reflectância, principalmente na faixa do espectro eletromagnético da banda 8
(0,906 µm) e da banda 7 (0,831 µm), ambos na faixa do infravermelho próximo. Comparando
os dois perfis espectrais, tanto da área com cultivo de Crotalária quanto ao correspondente à
área com nematóide, observou-se que houve uma pequena variação nos valores de
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reflectância na faixa de 0,55 µm, sendo que a área infestada com nematóides apresentou
valores menores.
Esse comportamento pode ter ocorrido em função do estágio de infestação que, conforme
pode ser observado na Figura 3, aparentou estar em estágio avançado o que fez com que
outras faixas espectrais, além da banda 8, tivessem alteração de comportamento espectral,
como foi o caso da banda 3, onde os valores de reflectância da crotalária com injúrias foram
menores que os da crotalária sadia.
A
Milho Sadio
Mancha Milho
80
Reflectância (%)
Reflectância (%)
80
60
40
20
60
40
20
0
0
B
0,43
0,48
0,55
0,61
0,66
0,72
0,83
0,91
C
Comprimento de onda (µm)
0,43
0,48
0,55
0,61
0,66
0,72
0,83
0,91
Comprimento de onda (µm)
Figura 4. (A) Imagem do satélite WorldView 2 , em junho de 2011, (composição 5vermelho, 3-verde, 2-azul) da área de estudo com destaque para a área com cultivo de Milho,
com perfil espectral (B) de região sadia, e o perfil espectral (C) da região com injúrias nas
plantas.
A assinatura espectral correspondente ao milho sadio apresentou picos com 60% de
reflectância na banda 8 (0,906 µm) e de 49% de reflectância na banda 7 (0,831 µm). Nas
bandas 1 (0,427 µm) e 5 (0,659 µm) houve menor reflectância de energia eletromagnética
devido à absorção de luz para a fotossíntese das plantas. Nas assinaturas correspondentes, as
manchas encontradas na mesma lavoura, observou-se menor reflectância nas bandas 7 (0,831
µm) e 8 (0,906 µm), pois o nematóide pratylenchus infectou as raízes das plantas reduzindo a
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parte aérea da planta e o número de folhas o que, conseqüentemente, fez com que houvesse
redução nos índices de relfectância nos comprimentos de onda que abrangem o infravermelho
próximo (Figura 4).
Cabe ressaltar que nas duas situações apresentadas na Figura 4, o comportamento
espectral teve influência, principalmente, do estado em que se encontravam as folhas da
cultura do milho. Folhas sadias, como as que foram observadas no perfil “B”, apresentam uma
característica de forte reflectância na faixa entre 0,8 e 1,2 µm (Novo, 1989). Tal fenômeno
ocorreu devido à estrutura celular da folha que fez com que ocorresse uma maior reflectância
nesta faixa espectral.
Porém, como observado no perfil “C”, as injurias na cultura do milho em conseqüência ao
ataque do nematóide Pratylenchus fazem com que ocorra uma degradação de toda a planta,
inclusive de sua estrutura celular que, nesse caso, fez com que a energia solar fosse refletida
em menor porcentagem nas bandas do infravermelho próximo e no infravermelho.
4. Conclusões
Foi possível identificar a infestação por nematóides nas diferentes culturas estudadas com
as injúrias encontradas na imagem de satélite juntamente com as alterações de comportamento
espectrais, exceto na área com cana-de-açúcar onde não foi possível identificar a causa
específica que causou as injúrias. Porém, a análise das imagens possibilitou a identificação de
uma anormalidade que, posteriormente, pode ser detalhada com análises laboratoriais.
As imagens do satélite WorlView-2® apresentaram potencial de uso para identificar
doenças em agroecossistemas. Estudos futuros podem ser realizados com a finalidade de
caracterizar o padrão espacial destas anomalias que afetam diversas culturas agrícolas.
Referências Bibliográficas
Chander, G.; Markham, B.L.; Helder, D.L. Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat
MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI sensors. Remote Sensing of Environment, v. 113, p. 893-903, 2009.
Marchiorato, I. A.; Rudorff, B. T.; Santos, J. M.; Santos Junior, R. F. Utilização do sensoriamento remoto para a
detecção de Meloidogyne incógnita em algodão. In: Simpósio Internacional de Agricultura de Precisão, 2, 2002,
Viçosa. Anais... Viçosa: Embrapa, 2002. On-ine. Disponível em:
<http://www.dpi.inpe.br/sil/CST310/AULAs/Aula7_DadosSR/apoio/disciplina_introdu%C3%A7ao%20ao%20s
ensores_LU/Monografia/NDVI/siap024.pdf>. Acesso em: 28 Nov. 2012.
Menegatti, S.; Silva, J. Nematóides em Cana-de-açúcar. Biblioteca digital centro canagro “José Coral”.
Disponível em: <http://www.cana.com.br/biblioteca/cartilha_praga/nematoides.pdf>. Acesso em: 15 Set. 2012.
Novo, E.M. de M. Sensoriamento remoto: principios e aplicações. São Paulo. Edgard Blucher. 1989. 308p.
Reis, E. M., Leites, A.; Forcelini, C.A. Relações entre intensidade da ferrugem da folha, refletância da radiação
solar e rendimento de grãos na cultura do trigo Embrapa 16. Fitopatologia Brasileira 31:447-454. 2006.
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