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SEMINÁRIO Vegetação e sua Interação com a Radiação Solar Mestrado em Engenharia Ambiental Geomática Aplicada a Recursos Hídricos Professor: Dr. Alexandre.

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1 SEMINÁRIO Vegetação e sua Interação com a Radiação Solar Mestrado em Engenharia Ambiental Geomática Aplicada a Recursos Hídricos Professor: Dr. Alexandre Rosa Expositora: Vera Maria Carreiro Ribeiro

2 Vegetação e Sensoriamento Remoto Moreira (2003): ao utilizar o sensoriamento remoto para se obter informações sobre a cobertura vegetal de uma região da superfície terrestre têm–se que levar em conta a interação da energia solar com a comunidade de plantas. Índivíduo vegetal=> é na planta que as atividades fisico-químicas e biológicas são processadas

3 Comunidade Vegetal,Planta e Folha PLANTA Orgãos de Nutrição: Raiz, Caule e Folha Orgãos de Reprodução:Flor, Fruto e Semente Folha Para o sensoriamento Remoto é suficiente entender os orgãos de nutrição e em especial as folhas: A folha=> 3 funções: Respiração, Transpiração e Fotossíntese Fotossintese: é o único processo que está diretamente envolvido com a radiação solar

4 Fotossíntese É realizada na presença de luz Processo em Duas Etapas: Reações de Luz (fotossíntese: absorção de luz azul e vermelha pelos cloroplastos) Reações Escuras (CO2 em carboidrato) 6CO 2 + 6H 2 O => C 6 H 12 O 6 + O 2 + e LUZ

5 Interação da Radiação Solar com a Planta 1= r + a + t Øi= Ør + Øa + Øt2˚ Lei da Termodinamica (1) Normalizando(1) pelo fluxo incidente r reflectância a Absortancia t Transmitancia [e a > interesse SR (cond.fitossanitaria) + utilizada(proxi a ) SR (limit. Tecnol.)

6 Corte Transversal de uma folha Reflexão/Absorção do VIS e NIR Luz Azul e Vermelha xilema Cutícula e epiderme Estruturas celulares internas Absorção clorofila a/b carotenoides,xantofilas e antocianinas VIS NIR Transmissão pela clorofila e refração nas áreas frontais de ar/celulas do mesófilo Refletida pelo cloroplasto Radiancia Incidente

7 Interação da Radiação Solar com a Planta Espectro Eletromagnético 1Å1µm 1n m 1m m 1m 1k m Espectro solar 1µ m

8 Interação da Radiação Solar com a Planta Assinatura Espectral

9

10 Resposta Espectral uma folha Reflexão/Absorção do VIS e NIR Absorção de Água

11 Interação da Radiação Solar com a Planta vegetação

12 Interação da Radiação Solar com a Planta Intervalo de Interação para o SR A determinação e a diferenciação da vegetação pelos métodos de sensoriamento remoto é possível no intervalo de 0,4 até 2,5 µm, pois neste intervalo as folhas são caracterizadas por comportamentos específicos de reflexão, absorção e transmissão.

13 Interação da RS com a Planta no VIS Absorção azul (0,4 - 0,5 µm)/ vermelha (0,6 - 0,7 µm); Reflexao (determinado pela clorofila que absorve pouco o verde) luz verde (0,5 - 0,6 µm). vermelho e ao azul são absorvidas (quase totalmente) pelos pigmentos do mesófilo, assim como pelos carotenóides, xantófilas, e antocianidas, que causam uma reflexão característica baixa nos comprimentos de onda supracitados. As clorofilas A e B regulam o comportamento espectral da vegetação, absorvendo a luz verde só em pequena quantidade, por isso a reflectância é maior no intervalo da luz verde, o que é responsável pela cor verde das folhas para a visão humana. Interação da Radiação Solar com a Planta

14 Interação da RS com a Planta no NIR λ 0,7 - 1,3 µm Reflexão 30 a 70% dos raios incidentes (os sistemas pigmentais das plantas perdem a capacidade de absorver fótons nesse espectro=> subida acentuada da curva de reflexão). λ > 1,3 µm, o conteúdo de água das folhas influencia a interação com a radiação. A água dentro da folha absorve especialmente nas bandas em torno de 1,45 µm e 1,96 µm e estes comp.onda, prestam-se à determinação do conteúdo hídrico das folhas. A curva espectral depende do tipo de planta e, altera-se em função da estrutura e da organização celular. Intervalo de Interação para o SR

15 Intercepção, Absorção e Reflexão da Luz Solar pelas folhas Fatores Envolvidos Morfológicos: IAF=(área foliar)/(área do solo) Fisiológicos ou Funcionais Idade da Planta (na senecência a reflectância > VIS) Déficit Hídrico (stress provoca > reflectância) Tipo e Espessura dos folhas (>intensidade luz=>menor e menos espessa será a folha, dependendo da espécie ) Nutrientes (1.o stress provoca o deslocamento de nutrientes das folhas + velhas p/ as +novas; 2.Magnésio/nitrogenio participam na formação da clorofila)

16 Interação da Radiação Solar com a Planta Uma grande parte da energia disponível para as plantas está na forma de radiação difusa A radiação difusa atinge o interior da copa e as partes inferiores da vegetação por não ter dependencia angular A radiação difusa é sempre > radiação direta (independente dos fatores ambientais)

17 Interação da Radiação Solar com o Dossel DOSSEL Um dossel é caracterizado pelos seus componentes, sua organização e sua estrutura. Dossel Homogêneo é aquele em que a comunidade de plantas é homogênea tais como as comunidades agrícolas (por ex: uma cultura de trigo) Dossel Heterogêneo é aquele em que a comunidade de plantas é heterogênea (por ex.: uma floresta).

18 Interação da Radiação Solar com o Dossel Colwell(1974) e Daughtry et al. (1982): Na região do infravermelho próximo a resposta espectral do sombreamento não é tão pronunciada como na região do visível, devido ao múltiplo espalhamento e à baixa absorção por pigmentos nesta faixa do espectro. Pinter Jr et al.(1985) ao medirem a reflectância no dossel e na folha isolada de diferentes cultivares de trigo com mesma fitomassa e mesmo índice de área foliar concluíram que independente do cultivar não houve diferença na reflectância quando medidos em folhas isoladas, porém as reflectancias foram diferentes quando medidas sobre os diferentes dosséis. Gausman e Allen (1973) ao medirem a reflectância sobre dosséis das culturas de trigo, cana-de-açúcar e milho constataram que a resposta espectral do dossel de trigo apresentou-se como uma exceção, mostrando uma reflectância comparável à de folhas dorsiventrais[1],[2].[1][2] Segundo Bauer et al (1980), Ripple (1986) e Horler et al (1983) as plantas com stress provocado pela água apresentam um aumento na reflectância na região do infravermelho próximo.

19 Interação da Radiação Solar com o Dossel Myers(1970) encontrou respostas espectrais diferentes para a cultura de algodão em razão do número de camada de folha Knipling(1970) denominou este fenômeno como fator de compensação (e reflectância aditiva por Holer(1978)). Naquele gráfico observa-se que na região do vermelho próximo a quantidade de radiação refletida aumenta com o aumento do número de camadas de folhas. Na região do visível o efeito da camada de folhas não altera os valores da reflectância, como ocorre nos infravermelhos próximo e médio. Moreira (1997) apud Moreira (2003) estudando reflectância sobre dosséis de cultura de trigo que foram submetidas ao stress hídrico com suspensão da irrigação em 4 fases distintas do crescimento concluiu que a reflectância na região do infravermelho próximo será maior ou menor, dependendo do estágio de desenvolvimento da cultura, ou seja, é preciso estar ciente da época em que a cultura sofreu o stress hídrico. Na experiência Moreira observou que a reflectância na região do vermelho próximo foi maior quando o stress hídrico ocorreu quando as plantas de trigo estavam já desenvolvidas e foi menor quando a suspensão da irrigação foi no início do desenvolvimento da cultura, mesmo assim esse resultado está de acordo com Knipling (1970),Bauer et al (1980), Ripple (1986) e Horler et al (1983).

20 Interação da Radiação Solar com a Planta Foto Pancromatica

21 Interação da Radiação Solar com a Planta Imagem Falsa Cor (Foto com IR)

22 A Vegetação em imagens de sensor Orbital bandas da Câmara CCD do satélite CBERS Cada sensor a bordo dos satélite apresentam distintas bandas que operam em diferentes faixas do espectro eletromagnético, conhecendo o comportamento espectral dos alvos na superfície terrestre é possível escolher as bandas mais adequadas para estudar os recursos naturais

23 Banda Azul 0,45-0,52 m m Banda Verde 0,52-0,59 m m Mapeamento de águas costeiras; Diferenciação entre solo e vegetação; Diferenciação entre vegetação conífera e decídua; Mapeamento de vegetação; Qualidade d'água;

24 Vermelho 0,63-0,69 m m NIR 0,77-0,89 m m Absorção de clorofila; Diferenciação de espécies vetais; Áreas urbanas, uso do solo; Agricultura; Qualidade d'água; Delineamento de corpos d'água; Mapeamento geomorfológico; Mapeamento geológico; Áreas de queimadas; Áreas úmidas; Agricultura; Vegetação;

25 Lago Itaipú, rio Paraná Carta imagem Cores naturais Mata em tom verde escuro Carta imagem falsa cor Mata em tom vermelho

26 Áreas Agrícolas e Mata Ciliar Verde claro(atividade agrícola)escuro(mata ciliar) rosa (atividade agrícola) vermelho vivo(mata ciliar)

27 mata do Parque Nacional do Iguaçu m verde escuro o Parque Nacional do rio Iguaçu, em rosa claro o rio e em tonalidade branca as cataratas do Iguaçu vermelho vivo o Parque Nacional do rioIguaçu em verde o rio e as cataratas do Iguaçu em tonalidade branca

28 Encontro dos rios Iguaçú e Paraná áreas de mata em verde escuro áreas urbanas em tonalidades claras áreas de mata em Vermelho áreas urbanas em tonalidades claras Foz do Iguaçu Puerto Iguazu

29 Referências Bibliográficas Moreira, Maurício Alves.Fundamentos do sensoriamento remoto e metodologias de aplicação. 2.ed.-Viçosa:UFV,2003. Sausen, Tania Maria. Sensoriamento remoto e suas aplicações para recursos naturais.SP.INPE, Steffen, Carlos Alberto. Introdução ao Sensoriamento remoto. SP.INPE, 2004.

30 SEMINÁRIO Vegetação e sua Interação com a Radiação Solar FIM Mestrado em Engenharia Ambiental Geomática Aplicada a Recursos Hídricos Professor: Dr. Alexandre Rosa

31 Luz e Cor O sistema visual do homem e dos animais terrestres é sensível a uma pequena banda de radiações do espectro eletromagnético situada entre 400nm e 700nm e denominada luz. Dependendo do comprimento de onda, a luz produz as diferentes sensações de cor que percebemos. Por exemplo, as radiações da banda entre 400nm até 500nm, ao incidir em nosso sistema visual, nos transmitem as várias sensações de azul e cian, as da banda entre 500nm e 600nm, as várias sensações de verde e as contidas na banda de 600nm a 700 nm, as várias sensações de amarelo, laranja e vermelho. Uma propriedade importante das cores é que estas podem ser misturadas para gerar novas cores. Escolhendo três cores básicas (ou primárias) como o azul, o verde e o vermelho, a sua mistura em proporções adequadas pode gerar a maioria das cores encontradas no espectro visível. Como você pode ver na figura 4, os matizes formados podem ser agrupados em amarelo (Y), cian (C) e magenta (M), este último não encontrado no espectro visível. A mistura das três cores primárias forma o branco (W).

32 Imagem Falsa Cor Como não existe uma cor básica correspondente ao infravermelho, um artifício é utilizado na hora de observar a imagem obtida no computador. Utilizamos a cor básica azul para representar o registro da banda verde, a cor verde para representar o registro da banda vermelha e a cor vermelha para representar o registro da onda infravermelha. Você pode ver que a imagem produzida desta forma, na figura, tem as formas e textura esperadas entretanto, as cores não correspondem à nossa experiência visual e por isso esse tipo de imagem é denominada falsa-cor. Imagens construídas com a banda infravermelha podem ter uma quantidade muito maior de informações temáticas que as convencionais (de cores naturais); entretanto, é importante ressaltar que o significado dessas cores e suas variações, deve ser analisado com base no conhecimento das assinaturas espectrais dos objetos, para que possamos extrair informações corretas sobre as suas propriedades. Figura 11. Uma câmara digital de infravermelho. Veja na figura 12 que a vegetação aparece em tonalidades de magenta e isso é simples de explicar se você observar que na assinatura espectral da vegetação predominam as reflectâncias nas bandas verde (B) e infravermelha (C), sendo esta última maior. Como estas bandas são representadas na imagem pelas cores azul e vermelha, a mistura destas (ver figura 4) gera as tonalidades de magenta com predominância de vermelho. Da mesma forma, a tonalidade cian do solo resulta das reflectâncias mais elevadas nas bandas vermelha e infravermelha.

33 Assinatura Espectral da Folha Analisando a assinatura espectral da folha verde na figura podemos explicar as razões para as variações encontradas: na banda visível (B, G e R), a pequena reflectância (maior absortância) é produzida por pigmentos da folha (clorofila, xantofila e carotenos) enquanto que na banda infravermelha (IR), a maior reflectância resulta da interação da radiação com a estrutura celular superficial da folha. Duas características notáveis resultam dessa assinatura espectral: 1- a aparência verde da fôlha, e por extensão da vegetação, está relacionada com a sua maior reflectância na banda verde (G) e é produzida pela clorofila, 2- a elevada reflectância na banda infravermelha (IR) está relacionada com os aspectos fisiológicos da folha e varia com o seu conteúdo de água na estrutura celular superficial; por isso é um forte indicador de sua natureza, estágio de desenvolvimento, sanidade, etc. Veja na curva b da mesma figura a assinatura espectral de uma folha seca. Veja ainda nessa figura, a curva c que mostra a assinatura espectral de uma amostra de solo; no caso do exemplo trata-se de um tipo de solo contendo ferro e pouca matéria orgânica.

34 Assinatura Espectral da Vegetação Figura Uma câmara digital de infravermelho. Veja na figura que a vegetação aparece em tonalidades de magenta e isso é simples de explicar se você observar que na assinatura espectral da vegetação predominam as reflectâncias nas bandas verde (B) e infravermelha (C), sendo esta última maior. Como estas bandas são representadas na imagem pelas cores azul e vermelha, a mistura destas (ver figura 4) gera as tonalidades de magenta com predominância de vermelho. Da mesma forma, a tonalidade cian do solo resulta das reflectâncias mais elevadas nas bandas vermelha e infravermelha. Figura Sintetizando uma imagem falsa-cor

35 A Tabela 1 mostra os canais do LANDSAT 5 e as qualidades de cada banda para interpretação visual. Tabela 1. Aplicações das bandas do LANDSAT 5 (Lillesand & Kiefer, 1979, p. 567). Banda: TM 1 Espectro azul (VIS) Comprimento de Onda 0,45 - 0,52 Aplicações :- Boa penetração na água (mapeamento do litoral) Distinção solo / vegetação TM 2 verde (VIS) 0,52 - 0,60 - Reflexão máxima no espectro verde- Determinação da vitalidade da vegetação TM 3 vermelho (VIS) 0,63 - 0,69 - Absorção alta de clorofila - Distinção solo / vegetação - Diferença dos tipos de trigo TM 4 NIR 0,76 - 0,90 - Reflexão alta da vegetação - Determinação da massa orgânica - Distinção terra / água

36 Comportamento espectral da água da água Elene Zavoudakis Lívia Maria Albertasse Tulli

37 Interpretação das imagens de satélite Comportamento espectral Fatores externos Fatores internos cores O que causa? = Propriedades do alvo INTRODUÇÃO

38 Interpretação do significado em imagens de satélite Complexidade região 400 a 500 nm - profundamente afetada pela atmosfera (90%) INTRODUÇÃO transmitância muito alta e variável informações de diversas profundidades semelhança entre os espectros de absorção dos componentes opticamente ativos reflectância da superfície mais elevada que a do volume / fatores afetam reflectância da água pequena (4%) – sensores insensíveis

39 OBJETIVO Fornecer algumas informações sobre o comportamento espectral da água como suporte à interpretação de imagens.

40 COMPONENTES DO FLUXO DE ENERGIA 1.reflexão do fluxo de radiação direta do sol; 2.reflexão do fluxo de radiação difusa; 3.fluxo espalhado pela atmosfera; 4.fluxo espalhado no interior do volume (fluxo emergente / composição do meio);

41 COMPONENTES DO FLUXO DE ENERGIA

42 Problema na interpretação dos dados de SR = QUANTIFICAR O FLUXO EMERGENTE L u L w correções L u = 1,84. L w Lw – radiância medida pelo sensor remoto Lu – radiância de subsuperfície

43 CORREÇÕES DO FLUXO EMERGENTE DETECTADO PELO SENSOR Correção em Relação aos Efeitos Atmosféricos 90% da radiação originada em um corpo dágua, registrada pelo sensor orbital RADIÂNCIA DA ATMOSFERA Espalhamento da luz solar na presença de gases e partículas L w – radiância medida pelo sensor L – radiância detectada pelo sensor L a – radiância de trajetória L w = L - L a

44 CORREÇÃO EM RELAÇÃO AOS EFEITOS ATMOSFÉRICOS 1.Métodos do pixel escuro Localizar, dentro da cena imageada em um corpo dágua, o pixel de menor valor (~0) e subtraí-lo dos demais valores da imagem; Condições para os dados: 1.Atmosfera constante sobre a cena; 2.Pixel mais escuro com radiância bem próxima de 0 (subtração apenas do sinal devido à atmosfera) Spot Landsat Radiância de um pixel escuro contribuição da atmosfera

45 CORREÇÃO EM RELAÇÃO AOS EFEITOS ATMOSFÉRICOS 1.Métodos do pixel escuro (sofisticado) - Chaves Jr. (1989) Obter um histograma de determinada banda do sensor Thematic Mapper a anotar menor valor registrado (sugere-se TM1 ou outra banda do espectro visível); Valor mínimo do histograma é utilizado como valor de entrada em tabela, pela qual pode-se classificar tipo de atmosfera predominante durante aquisição da cena; TIPO DE ATMOSFERA MODELO DE ESPALHAMENTO Modelo de Espalhamento aplicado para determinar o valor a ser subtraído da cena para a remoção do efeito da atmosfera.

46 Sensor mede radiância, porém, propriedade radiométrica da água que se relaciona com seus componentes é a REFLECTÂNCIA. Reflectância é estimada CORREÇÃO EM RELAÇÃO À IRRADIÂNCIA SOLAR NA SUPERFÍCIE DA ÁGUA Irradiância incidente na superfície varia com o ângulo zenital (entre o zénite e a direção ao sol). 1. Correção da radiância medida pelo sensor; 2. Avaliação da irradiância que atinge a superfície da água. Lw = Lw / cos (Q) Lw – radiância da água Lw– radiância da água medida pelo sensor após correção atmosférica Q – ângulo zenital do sol

47 PROPRIEDADES ÓPTICAS INERENTES E APARENTES DA ÁGUA E SUA RELAÇÃO COM AS MEDIDAS DE RADIÂNCIA FEITAS POR SENSORES ORBITAIS. O fluxo de energia radiante que atravessa a interface ar/água está sujeito a dois processos básicos: ABSORÇÃO E ESPALHAMENTO. As propriedades ópticas inerentes dependem somente do meio aquático. As substâncias opticamente ativas são aquelas que podem afetar o espectro de absorção e espalhamento da água pura.

48 Relação entre as propriedades ópticas e a composição da água. Fonte: Novo (2001)

49 O Coeficiente de Espalhamento representa a interação da energia espalhada por um volume unitário de água em todas as direções. O Coeficiente de Retroespalhamento é aquela fração do coeficiente de espalhamento que representa a integração da energia espalhada na direção oposta à de incidência. Algumas substâncias presentes na água podem afetar esses coeficientes de forma qualitativa e quantitativa.

50 As Propriedades ópticas aparentes são aquelas que são afetadas tanto pela composição do corpo dagua quanto pelas características do campo de luz incidente sobre a água. Exemplo: Irradiância descendente e Irradiância Ascendente. Como os coeficientes de absorção e espalhamento da água são afetados pelo tipo, concentração e composição das substâncias presentes no corpo dágua, pode-se concluir que corpos dágua com diferentes composições apresentam diferenças sensíveis em sua cor.

51 Componentes que afetam o comportamento espectral da água: -Organismos Vivos -Partículas em suspensão -Substâncias orgânicas dissolvidas. Curvas de coeficientes de absorção (a) e de espalhamento (b) da água pura. Fonte: Mobley (1994)

52 Coeficientes de absorção de sistemas aquáticos com diferentes concentrações de substâncias orgânicas dissolvidas. Fonte: Kirk (1994) fig4

53 Fator de reflectância bidirecional de simulações em laboratório de um corpo dágua com diferentes concentrações de matéria orgânica dissolvida. Fonte: Mantovani (1994) fig5

54 Bandas de absorção dos pigmentos fotossintetizadores. Tab1 O fitoplâncton também responde pela absorção da luz na água. Seus pigmentos responsáveis pela fotossíntese causam absorção seletiva da radiação eletromagnética que penetra na superfície da água.

55 Razão de irradiância da água com diferentes concentrações de pigmentos. Fonte: Adaptado de Mobley (1994)

56 As partículas em suspensão na água podem aumentar seu coeficiente de absorção. O grande problema na interpretação do comportamento espectral da água é que os componentes opticamente ativos ocorrem simultaneamente em ambiente natural e produzem espectros de absorção e de espalhamento que muitas vezes se superpõe. O material particulado tem como principal efeito o aumento do coeficiente de espalhamento da água.

57 Fator de reflectância bidirecional de diferentes concentrações de sedimentos em suspensão na água. Fonte: Adaptado de Chen et al. (1991)

58 A COR DA ÁGUA EM IMAGENS DE SATÉLITE A grande maioria das aplicações de sensoriamento remoto no estudo de propriedades da água cai atualmente em duas categorias: - Estimativas de produtividade primária dos oceanos. - Estimativas da concentração de sólidos em suspensão na água.

59 Tab2 Aplicações em sensoriamento remoto em estudos de sistemas aquáticos.


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