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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO ENGENHARIA AMBIENTAL Sensoriamento Remoto PROFESSOR: Prof.: Alexandre Rosa dos Santos.

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO ENGENHARIA AMBIENTAL Sensoriamento Remoto PROFESSOR: Prof.: Alexandre Rosa dos Santos. ALUNOS: Teresa S. Aquije Chacaltana. Marcos Eugênio Pires de Azevedo Lopes

2 Comportamento Espectral de Minerais e Rochas

3 Limitações decorrentes de para metros ambientais Limitações decorrentes de para metros ambientais Para a geologia, o conhecimento do comportamento espectral é ainda mais imprescindível, dada a enorme variedade de minerais e rochas presentes na natureza. Para a geologia, o conhecimento do comportamento espectral é ainda mais imprescindível, dada a enorme variedade de minerais e rochas presentes na natureza. As limitações que defrontamos nesse caso, com o uso do sensoriamento remoto, podem ser agrupadas em três categorias principais: As limitações que defrontamos nesse caso, com o uso do sensoriamento remoto, podem ser agrupadas em três categorias principais: Limitações intrínsecas à formação espectral. Limitações intrínsecas à formação espectral. Potencialidades e Limitações

4 A compensação para uma boa parte dessas limitações pode ser alcançada com o uso de sensores imageadores hiperespectrais que possuem centenas de bandas com largura espectral de poucos manômetros. A compensação para uma boa parte dessas limitações pode ser alcançada com o uso de sensores imageadores hiperespectrais que possuem centenas de bandas com largura espectral de poucos manômetros. Quanto às limitações impostas pelos sensores, a principal esta no numero de bandas e na largura espectral delas. Muitos materiais somente poderão ser diferenciados entre si, caso a largura das bandas espectrais dos sensores imageadores sejam suficientemente estreitas da ordem de 10 nm, que é mais ou menos a largura média das bandas de absorção. Quanto às limitações impostas pelos sensores, a principal esta no numero de bandas e na largura espectral delas. Muitos materiais somente poderão ser diferenciados entre si, caso a largura das bandas espectrais dos sensores imageadores sejam suficientemente estreitas da ordem de 10 nm, que é mais ou menos a largura média das bandas de absorção.

5 sensores imageadores sensores imageadores hiperespectrais: hiperespectrais: Airborne Visível/Infrared Airborne Visível/Infrared Imaging Spectrometer Imaging Spectrometer (AVIRIS)-224 bandas (AVIRIS)-224 bandas Geophysical and Geophysical and Enverimental Research Enverimental Research Spectrometer (GERIS)-63 Bandas Spectrometer (GERIS)-63 Bandas

6 Feições No Intervalo do Visível ao Infravermelho Próximo Espectros de minerais cujas bandas de absorção ocorrem no Intervalo do Visível ao Infravermelho Próximo são originadas basicamente das transições eletrônicas de transferência de carga e de campo cristalino. Espectros de minerais cujas bandas de absorção ocorrem no Intervalo do Visível ao Infravermelho Próximo são originadas basicamente das transições eletrônicas de transferência de carga e de campo cristalino. Minerais que contêm metais de transição em sua estrutura Minerais que contêm metais de transição em sua estrutura Características de configuração de seus orbitais. Características de configuração de seus orbitais.

7 Feições No Intervalo do Visível ao Infravermelho Próximo. Ferro Ferroso e Férrico Ferro Ferroso e Férrico

8 Feições No Intervalo do Visível ao Infravermelho Próximo. Manganês Manganês Espectro total opacidade acentuadamente no visível Bandas de condução que se estendem para todo intervalo do espectro até o Infravermelho. De cor preta

9 Feições No Intervalo do Visível ao Infravermelho Próximo. Manganês Manganêsrodocrosita

10 Feições No Intervalo do Visível ao Infravermelho Próximo. Cobre Cobre Crisocola cobre

11 Espectros de rochas Rochas Ígneas Rochas Sedimentares Rochas Metamórficas Ácidas Intermediarias Básicas Ultrabásicas Clásticas ou dentríticas Rochas de natureza química Origem orgânica Ardósias Filitos Xistos Grau Metamórfico

12 Espectros de rochas ígneas Rochas Intermediárias Rochas ácidas Rochas básicas Rochas Ultrabásicas Rochas ácidas Rochas básicas Albedo mais alto Espectros sem feições de absorção Ampla feição em torno de 1000 nm Baixo albedo Ausência de bandas de água e de hidroxila Feição difíceis detectar

13 Espectros de rochas metamórficas Ferro ferrosoHidroxila

14 Espectros de Rochas de Alteração Hidrotermal Processo de alteração de rochas existentes em uma área leva à formação de um zoneamento ou de halos de minerais de alteração que são importantes do ponto de vista mineral Espectro de reflectância dos principais minerais de alteração no intervalo do infravermelho

15 Espectros com Matéria Carbonosa Livre matéria orgânica Albedo muito reduzido Redução de reflectância Aumento da matéria orgânica

16 Comportamento Espectral dos Solos Estudos sistemáticos dos solos - C O R - Perfis e Horizontes Pedológicos Experiência prática - Correlação da ocorrência de componentes como a matéria orgânica e óxidos de ferro A reflectância do solo, em todos os comprimentos da faixa do espectro óptico, é uma propriedade cumulativa que deriva do comportamento espectral dos constituintes minerais, orgânicos e fluidos que combinados, compõem os solos Outros fatores importantes nas propriedades de reflectância dos solos: Tamanho e organização das partículas Espectrorradiometria de reflectância - Ferramenta importante para a identificação dos componentes dos solos em campo, em laboratório ou por meio da análise espectral de sensores remotos.

17 A Espectrorradiometria de reflectância no estudo dos solos Desenvolvimento do sensoriamento remoto Interesse pelo estudo das propriedades de reflectância dos solos (composição mineral e orgânica e propriedades estruturais e texturais) Fundamentos de interpretação de imagens obtidos em estudos espectrorradiométricos de campo ou em laboratório Aplicação da espectrorradiometria de reflectância no estudo dos solos é relativamente recente (Década de 60) Baumgardner & Stoner (1982); Baumgardner et al. (1985), Myers (1983) e Mulders (1987)

18 Padrões de Espectros de Reflectância dos Solos Medidas de reflectância de solos (60s) - Padrões de curvas espectrais de acordo com os constituintes dos solos (Obukhov & Orlov, 1964; Condit, 1970 e 1972; Baumgardner, 1981) a) Alto teor de matéria orgânica e textura argilosa - (espectro a) - As características dos espectros são dominadas pela matéria orgânica; baixo albedo e forma convexa no intervalo de 500 a 1300 nm; b) Teores baixos em matéria orgânica e em óxido de ferro - (espectro b) - Albedos altos e forma côncava no intervalo de 500 a 1300 nm; c) Teores baixos em matéria orgânica e médio em óxido de ferro - (espectro c) - As características dos espectros são influenciadas pelos óxidos de ferro; d) Teor alto de matéria orgânica e arenosos - (espectro d) - As características dos espectros são influenciadas pela matéria orgânica, apresentando no intervalo de 500 a 1300 nm um segmento côncavo (500 a 700 nm) e outro convexo (750 a 1300 nm); e) Teor alto de óxidos de ferro e textura argilosa - (espectro e) - As características dos espectros são dominadas pelos óxidos de ferro, com a particularidade de apresentar albedos muito baixos e valores de reflectância decrescentes para os comprimentos de onda superiores a 750 nm. FIGURA

19 d Figura 1. Espectros de reflectância representativos de horizonte superficial de solos: (a) forma dominada pela matéria orgânica; (b) forma minimamente alterada; (c) forma afetada pelo ferro; (d) forma afetada pela matéria orgânica; (e) forma dominada pelo ferro

20 Trabalhos de Espectrorradiometria Desenvolvidos no Brasil Contribuição para a elucidação das peculiaridades de reflectância dos solos tropicais Formaggio, 1983; Epiphanio et al., 1987; Epiphanio et al., 1992; Formaggio & Epiphanio, 1988; Madeira Netto, 1991; Madeira Netto et al., 1990, 1991, 1992, 1993, 1995; Stoner et al., 1991; Valeriano et al., 1995 Epiphanio et al., Mais abrangente - Obtenção de 111 espectros e dados físico-químicos de amostras de 53 perfis de 14 classes de solos do Estado de São Paulo. Valeriano et al., Verificação se os espectros de reflectância definiam padrões típicos - Análise de acordo com a forma, o albedo, as feições de absorção e a presença de inflexões no visível, agrupando os espectros em quatro classes gerais. Constatou-se a não ocorrência de uma relação biunívoca entre as classes de solos e os tipos de espectros de reflectância, ou seja, para cada um dos tipos de espectros, relacionam-se diferentes classes de solo, e solos pertencentes a uma mesma classe podem apresentar diferentes tipos de espectros.

21 Madeira Netto et al. (1993) - Realização de medidas espectrorradiométricas em 56 amostras de latossolos e solos hidromórficos - Identificação de três classes gerais de espectros (minerais responsáveis pelas feições características) A) Solos praticamente desprovidos de óxidos de ferro - Característica principal a forma convexa no intervalo espectral de 400 a 1300 nm. B) Solos ricos em óxidos de ferro - Banda intensa e larga centrada em 950 nm, uma centrada em 650 nm e outra entre 450 e 530 nm. C) Solos ricos em minerais opacos como a magnetita e a ilmenita - Forma relativamente plana além dos comprimentos de 750 nm e o baixo albedo. Obs.:1) Os espectros do tipo A e B apresentam ainda as feições características da caulinita, centrada em 2200 nm e/ou gibbsita centrada em 2235nm. Obs.:2) Embora as amostras que exibem as características do espectro C apresentem altos teores de óxido de ferro (hematita e/ou goetita), as feições desses minerais são atenuadas pelas absorções da magnetita. FIGURA

22 Figura 2. Espectros de reflectância de três tipos principais de composição mineralógica, definidos por Madeira Netto (1993). (A) praticamente sem óxidos de ferro; (B) teores elevados em óxidos de ferro e praticamente sem minerais opacos; (C) teores elevados em óxidos de ferro e presença de minerais opacos.

23 Detecção de Componentes dos Solos Identificação de alguns dos componentes e de algumas de suas características físicas; Identificação de alguns dos componentes e de algumas de suas características físicas; Obtenção de informações importantes, quanto à ocorrência e à abundância de minerais, úteis a estudos pedológicos de naturezas diversas; Obtenção de informações importantes, quanto à ocorrência e à abundância de minerais, úteis a estudos pedológicos de naturezas diversas; Caráter não-destrutivo, rapidez e possibilidade de obtenção dos dados de reflectância à distância; Caráter não-destrutivo, rapidez e possibilidade de obtenção dos dados de reflectância à distância; Obtenção de dados por espectro-imageadores que, cobrindo grandes superfícies, permitem a compreensão das co-variações de alguns dos componentes dos solos com outros elementos definidores da paisagem; Obtenção de dados por espectro-imageadores que, cobrindo grandes superfícies, permitem a compreensão das co-variações de alguns dos componentes dos solos com outros elementos definidores da paisagem; Argilominerais (caulinita e montmorilonita) Óxidos de alumínio e de ferro Minerais calcita e gibbsita Matéria orgânica Água Principais componentes do solo com influência na reflectância

24 Argilominerais Mais freqüentes - Caulinita e Montmorilonita; Mais freqüentes - Caulinita e Montmorilonita; Feições de absorção na região do infravermelho de ondas curtas, centradas em 1400 (vibrações de estiramento do grupo OH) e 2200 (vibrações de dobramento das ligações Al- OH) nm; Feições de absorção na região do infravermelho de ondas curtas, centradas em 1400 (vibrações de estiramento do grupo OH) e 2200 (vibrações de dobramento das ligações Al- OH) nm; Presença de água na Montmorilonita - Bandas intensas de absorção em 1400 e 1900 nm; Presença de água na Montmorilonita - Bandas intensas de absorção em 1400 e 1900 nm; Dissimetria (Hauff et al., 1990 e Kruse et al., 1991) - Indicador da forma da banda - Sobreposição das feições dos dois minerais - Distinção dos teores de caulinita (~0,25) e montmorilonita (~1,0) centrada em 2200 nm. Dissimetria (Hauff et al., 1990 e Kruse et al., 1991) - Indicador da forma da banda - Sobreposição das feições dos dois minerais - Distinção dos teores de caulinita (~0,25) e montmorilonita (~1,0) centrada em 2200 nm. Gibbsita Grandes quantidades em solos submetidos a forte intemperismo, podendo, em alguns casos ser o mineral dominante na fração argila; Grandes quantidades em solos submetidos a forte intemperismo, podendo, em alguns casos ser o mineral dominante na fração argila; Feições devidas às vibrações do grupo OH (Al 2 O 3.3H 2 O) - Feições espectrais no infravermelho próximo e de ondas curtas: harmônica de estiramento (2s em 1550 nm) e combinação dos modos de dobramento e estiramento (d+s em 2300 nm); Feições devidas às vibrações do grupo OH (Al 2 O 3.3H 2 O) - Feições espectrais no infravermelho próximo e de ondas curtas: harmônica de estiramento (2s em 1550 nm) e combinação dos modos de dobramento e estiramento (d+s em 2300 nm); FIGURA Solos tropicais - presença de caulinita e gibbsita - Proporção dos minerais indica o grau de intemperismo (distinção de classes de solos). Solos tropicais - presença de caulinita e gibbsita - Proporção dos minerais indica o grau de intemperismo (distinção de classes de solos).

25 Figura 3. Espectros de reflectância difusa (1200 a 2400 nm) de uma amostra de gibbsita moída e peneirada a 50 m. As transições moleculares são indicadas.

26 Figura 4. Espectros de reflectância difusa (2000 a 2400 nm) de uma amostra de solo com 39% de caulinita e 40% de gibbsita.

27 Óxidos de Ferro Mais freqüentes - Goethita (FeOOH) e hematita (Fe 2 O 3 ); Mais freqüentes - Goethita (FeOOH) e hematita (Fe 2 O 3 ); Importância da compreensão da predominância de um ou outro mineral, devido a fatores pedoclimáticos, para o estudo de solos tropicais; Importância da compreensão da predominância de um ou outro mineral, devido a fatores pedoclimáticos, para o estudo de solos tropicais; Diferentes práticas de manejo podem ser inferidas de informações relativas à predominância da goethita ou da hematita (influência diferenciada na adsorção de fósforo); Diferentes práticas de manejo podem ser inferidas de informações relativas à predominância da goethita ou da hematita (influência diferenciada na adsorção de fósforo); Goethita e hematita apresentam diferentes feições espectrais nas regiões do ultravioleta, visível e infravermelho próximo; Goethita e hematita apresentam diferentes feições espectrais nas regiões do ultravioleta, visível e infravermelho próximo; A posição precisa (transições eletrônicas) e a intensidade relativa das feições de absorção, determinadas por Sherman & Waite (1985), centradas em 530 nm para a hematita e em 480 nm para a goethita, determinam as cores vermelha e bruno-amarela, respectivamente, para os dois mineras supracitados; A posição precisa (transições eletrônicas) e a intensidade relativa das feições de absorção, determinadas por Sherman & Waite (1985), centradas em 530 nm para a hematita e em 480 nm para a goethita, determinam as cores vermelha e bruno-amarela, respectivamente, para os dois mineras supracitados; FIGURA Correlação entre parâmetros colorimétricos extraídos dos espectros de reflectância dos solos e seus teores de óxidos de ferro Correlação entre parâmetros colorimétricos extraídos dos espectros de reflectância dos solos e seus teores de óxidos de ferro Barron & Torrent (1986) Barron & Torrent (1986) x e y = coordenadas cromáticas Y% = brilho da cor obs.: x, y e Y% Comissão Inter. de Iluminação (CIE) Madeira Netto (1993) Madeira Netto (1993) d = comp. de onda dominante d = comp. de onda dominante Pe% = saturação da cor Pe% = saturação da cor Y% = brilho da cor Y% = brilho da cor

28 Figura 5. Espectros de reflectância difusa (400 a 1400 nm) de uma amostra de goethita (a) e de uma hematita (b). As transições eletrônicas são indicadas.

29 Magnetita e Ilmenita Quantidades significativas destes minerais em solos desenvolvidos de rochas máficas; Quantidades significativas destes minerais em solos desenvolvidos de rochas máficas; Estes minerais são herdados dos materiais de origem e não são produtos da alteração pedogenética; Estes minerais são herdados dos materiais de origem e não são produtos da alteração pedogenética; Os espectros de reflectância desses minerais não apresentam feições claramente definidas; Os espectros de reflectância desses minerais não apresentam feições claramente definidas; Espectros apresentando albedos normalmente muito baixos (inferiores a 5%) no visível e no infravermelho; Espectros apresentando albedos normalmente muito baixos (inferiores a 5%) no visível e no infravermelho; A opacidade destes minerais é atribuída por Strens & Wood (1979) pelas transferências de carga entre íons (Fe 2+, Fe 3+, O 2- e Ti 4+ ); A opacidade destes minerais é atribuída por Strens & Wood (1979) pelas transferências de carga entre íons (Fe 2+, Fe 3+, O 2- e Ti 4+ );

30 Matéria Orgânica Classificada nas categorias huminas, ácidos fúlvicos e ácidos húmicos; Classificada nas categorias huminas, ácidos fúlvicos e ácidos húmicos; A proporção destes compostos variam em função dos fatores de formação, tais como as condições climáticas, os organismos que deram origem à matéria orgânica e a composição dos materiais inorgânicos (Flaig et al., 1975) ; A proporção destes compostos variam em função dos fatores de formação, tais como as condições climáticas, os organismos que deram origem à matéria orgânica e a composição dos materiais inorgânicos (Flaig et al., 1975) ; Os espectros de reflectância desses minerais não apresentam feições claramente definidas; Os espectros de reflectância desses minerais não apresentam feições claramente definidas; Dados espectrais de laboratório mostram que as características de reflectância dos ácidos húmicos e fúlvicos são bem diferentes, não sendo ainda bem compreendida a natureza das relações entre a composição da matéria orgânica e a reflectância dos solos; Dados espectrais de laboratório mostram que as características de reflectância dos ácidos húmicos e fúlvicos são bem diferentes, não sendo ainda bem compreendida a natureza das relações entre a composição da matéria orgânica e a reflectância dos solos; Os ácidos húmicos mostram reflectância muito baixa (<2%) em todo o espectro devido ao grande número de constituintes moleculares que absorvem no visível, como os compostos turfosos e seus produtos de oxidação, os aminoácidos, etc. Já os ácidos fúlvicos atingem valores em torno de 22% em 750 nm. FIGURA

31 Figura 6. Espectro de reflectância difusa de três amostras de solo antes e depois da remoção da matéria orgânica. As amostras a, b e c referem-se respectivamente, a cada um dos três tipos de reflectância representados na figura 2.

32 Água O efeito da água na reflectância do solo causa a ocorrência de bandas de absorção centradas em 760 nm, 970 nm, 1190 nm, 1450 nm e 1940 nm e provoca decréscimo geral da reflectância em todos os comprimentos de onda; O efeito da água na reflectância do solo causa a ocorrência de bandas de absorção centradas em 760 nm, 970 nm, 1190 nm, 1450 nm e 1940 nm e provoca decréscimo geral da reflectância em todos os comprimentos de onda; Angstron (1925) - filmes de água - aumento das reflexões internas - maior porção de energia permanece no solo - diminuições de reflexão proporcionais ao aumento da umidade ; Angstron (1925) - filmes de água - aumento das reflexões internas - maior porção de energia permanece no solo - diminuições de reflexão proporcionais ao aumento da umidade ; Para solos com fortes bandas de absorção no visível (latossolos), os efeitos da umidade são dependentes do comprimento de onda e da posição e intensidade das feições espectrais da fase sólida dos solos; Para solos com fortes bandas de absorção no visível (latossolos), os efeitos da umidade são dependentes do comprimento de onda e da posição e intensidade das feições espectrais da fase sólida dos solos; Pode-se estimar o conteúdo de umidade dos solos, medindo a intensidade das bandas de absorção da água. Utiliza-se a feição centrada a 1450 nm (mais sensível) havendo relação linear entre a intensidade dessa banda de absorção e o teor de água no solo; Quanto mais profunda a banda de absorção, maior é o teor de água presente; Pode-se estimar o conteúdo de umidade dos solos, medindo a intensidade das bandas de absorção da água. Utiliza-se a feição centrada a 1450 nm (mais sensível) havendo relação linear entre a intensidade dessa banda de absorção e o teor de água no solo; Quanto mais profunda a banda de absorção, maior é o teor de água presente; Granulometria O efeito da granulometria na reflectância foi avaliado por meio de equações que demonstraram haver relação inversa entre o tamanho das partículas e a reflectância; O efeito da granulometria na reflectância foi avaliado por meio de equações que demonstraram haver relação inversa entre o tamanho das partículas e a reflectância; Quanto menor for o tamanho das partículas, maior será o albedo dos solos, pois os materiais com partículas menores apresentam superfície mais uniforme, com menor de poros para reter a luz incidente; Quanto menor for o tamanho das partículas, maior será o albedo dos solos, pois os materiais com partículas menores apresentam superfície mais uniforme, com menor de poros para reter a luz incidente;

33 No campo, a reflectância de solos não perturbados mostram resultados inversos aos obtidos em laboratório, isto é, a reflectância dos solos argilosos é normalmente inferior à dos arenosos. Isto porque a estrutura dos solos de textura mais fina em condições não-perturbadas forma agregados de maior tamanho que a areia; No campo, a reflectância de solos não perturbados mostram resultados inversos aos obtidos em laboratório, isto é, a reflectância dos solos argilosos é normalmente inferior à dos arenosos. Isto porque a estrutura dos solos de textura mais fina em condições não-perturbadas forma agregados de maior tamanho que a areia; Para a superfície de solos perturbados pelo preparo, a rugosidade reduz a reflectância, devido ao efeito de sombreamento dos torrões; Para a superfície de solos perturbados pelo preparo, a rugosidade reduz a reflectância, devido ao efeito de sombreamento dos torrões; Orlov (1966) Orlov (1966) R = reflectância; d = diâmetro dos agregados; R 0 = reflectância para os agregados de tamanho superior àquele para o qual não há mais efeito do tamanho da partícula; k e n = constantes que dependem do tipo de solo.

34 Considerações Finais Ainda não foi encontrada uma fórmula universal para analisar os dados espectrais de todos os tipos de solos. As relações entre as características espectrais e algum componente do solo são geralmente válidas para um conjunto de situações que precisam ser experimentalmente definidas. Muita pesquisa é ainda necessária para estudar os efeitos interativos entre os diferentes componentes do solo sobre a reflectância; Ainda não foi encontrada uma fórmula universal para analisar os dados espectrais de todos os tipos de solos. As relações entre as características espectrais e algum componente do solo são geralmente válidas para um conjunto de situações que precisam ser experimentalmente definidas. Muita pesquisa é ainda necessária para estudar os efeitos interativos entre os diferentes componentes do solo sobre a reflectância; No intervalo espectral do visível ao infravermelho de ondas curtas, os dados radiométricos dizem respeito à interação da energia com uma camada muito fina dos solos (apenas alguns milímetros). Os pedólogos que utilizam as medidas da luz refletida, principalmente de dados de satélite, precisam saber como as propriedades dessa delgada camada se relaciona com a cobertura pedológica inteira, para que se possa obter informações relevantes sobre os solos, baseadas em dados radiométricos. No intervalo espectral do visível ao infravermelho de ondas curtas, os dados radiométricos dizem respeito à interação da energia com uma camada muito fina dos solos (apenas alguns milímetros). Os pedólogos que utilizam as medidas da luz refletida, principalmente de dados de satélite, precisam saber como as propriedades dessa delgada camada se relaciona com a cobertura pedológica inteira, para que se possa obter informações relevantes sobre os solos, baseadas em dados radiométricos.

35 FIM


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