Caraterização das plantas - Comportamento espetral Caraterização do solo - Comportamento espetral Caraterização do solo - sua amostragem Caraterização da água Exemplos de respostas espetrais de alvos naturais Caraterização de outros objetos Departamento de Agronomia UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO
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Caraterização das plantas - Comportamento espetral
Caraterização do solo - Comportamento espetral
Caraterização do solo - sua amostragem
Caraterização da água
Exemplos de respostas espetrais de alvos naturais
Caraterização de outros objetos
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Caraterização das plantas - comportamento espetral
- A planta é o melhor sensor sobre o ambiente na qual está inserida;
- Os sensores podem medir o que a cultura está “sentindo” fornecendo informações sobre as
aplicação, a taxas variáveis, dos fatores de produção;
- Uma das formas de analisar o desenvolvimento das culturas é por meio das caraterísticas de
refletância espetral;
- O mapeamento da variabilidade espacial do stress da cultura pode tornar possível o
tratamento de doenças, deficiências de nutrientes ou deficiência de água no solo
- A dificuldade de interpretação da variabilidade espacial do stress da cultura prende-se com a
dificuldade em identificar qual o fator que conduz ao stress, pois todos eles induzem a
cloroses foliares que se distinguem por pequenas variações das assinaturas espetrais.
- O mapeamento pode identificar as áreas com stress e o pessoal de campo pode identificar a
causa do stress.
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Interação da vegetação com a radiação eletromagnética
1- Sensores de clorofila
- Quase todo o azoto foliar está contido nas moléculas de clorofila, pelo que existe uma alta
correlação entre o azoto foliar e o teor de clorofila;
- O teor de clorofila quantificado pelo SPAD (Soil Plant Analysis Development) é apresentado
na forma de um valor relativo sem dimensão;
- A clorofila utiliza (absorve) a luz vermelha, e o medidor de clorofila é baseado na quantidade
de luz vermelha absorvida e na quantidade transmitida através da folha;
- Quanto mais clorofila a folha tem, mais radiação na faixa do vermelho é absorvida;
- O medidor de clorofila é mais sensível na faixa entre
o estado de nutrição azotado deficiente e o adequado;
- O sensor de clorofila não indica o excesso de N
- O sensor mede a diferença relativa do stress de N
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Absorção da energia visível pela clorofila
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Sensor de clorofila - Scouting (1)
- Os sensores de clorofila podem auxiliar na recomendação de N para o milho e sorgo porque
pequenos excessos de N não causam redução de produtividade ou qualidade;
- Excesso de N em culturas como algodão, beterraba, trigo e cevada pode afetar negativamente
a saúde, a produtividade e o valor do produto final;
- A estratégia de amostragem para medir o teor de clorofila deve ser definida para cada cultura
e para cada tipo de folha;
- As leituras devem ser feitas tendo-se em consideração o estágio de crescimento, a idade
relativa das folhas amostradas e a posição na folha onde a medição é feita;
- A maior necessidade de N para o milho verifica-se entre os 30-45 dias após a emergência;
- As folhas devem ser amostradas quando a planta atinge o estágio V6 (planta com cerca de 30
cm - 6 folhas).
Local de medição:
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Sensor de clorofila (Scouting)
- Para se definir a quantidade de N a partir do valor de SPAD o ideal é ter uma área de
referência sem stress de N;
- A leituras de SPAD devem ser efectuadas na mesma variedade/cultivar, mesmo estágio de
crescimento e em áreas com histórico similar;
- Calcula-se um Índice de Suficiência de Azoto (ISN)
100NdestresssemáreanaSPADvalor
áreadaSPADmédiovalorISN
SPADOutubro de 2003
Produtividade(massa de frutos de café por planta)
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2- Comportamento espetral dos alvos
Fatores que interferem nas medições
1- Forma de aquisição de dados
- plataformas terrestres (laboratório ou campo)
- plataformas elevadas (aeronaves ou satélites)
2-Geometria de aquisição de dados
- posições espaciais da fonte, do alvo e do sensor
3-Parâmetros atmosféricos
- humidade atmosférica (absorção da REM: fonte-alvo-sensor)
- presença e quantidade de aerossóis (espalhamento da REM)
4- Objetos adjacentes ao alvo
- objetos ao redor do alvo interferem na medida de refletância
Interação da vegetação com a radiação eletromagnética solar (REM)
• 28% da REM absorvida pelas folhas são para realizar fotossíntese
• Depende das propriedades óticas da folha que são função da:
- Qualidade e intensidade da REM
- Espécie
- Espessura e estrutura foliar
- Teor de clorofila e caroteno
- Teor de matéria seca por unidade de área
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• Depende da REM que atinge a folha, que é refletida, transmitida ou absorvida, que
está relacionada com o:
- Comprimento de onda
- Ângulo de incidência
- Textura, propriedades óticas e bioquímicas das folhas
Interação Folha-REM (cont)
• Para DR (deteção remota), três bandas da REM são importantes:
- Visível
- IV próximo
- IV médio
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Visível
IV Próximo
• A estrutura interna da folha é o fator predominante para controlar a reposta espetral ao IV próximo
- Distribuição e arranjo dos espaços com ar
- Tamanho e forma das células
• Alta refletância e transmitância
• % absorvida é mínima
• Resposta do dossel é diferente de uma folha isolada
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IV Médio
• Baixa refletância
• Alta absorção pela H2O (2.660, 2.730 e 6.270 nm)
• Média absorção pela H2O (1.200, 1.450, 1.940 e 2.500 nm)
Interação Folha-REM (cont)
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(1)
(1) No infravermelho grande parte da energia é refletida pois, caso contrário, as plantas queimavam-se. No verde a radiação é
refletida daí a cor das plantas. Uma folha tem refletância baixa no visível (azul e vermelho), por causa da alta absorção pela
clorofila nessas bandas, e alta no infravermelho próximo, porque a folha espalha e não absorve nessa banda, e baixa no
infravermelho, em torno de 1,3 mm, devido a absorção pela água.
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Comportamento espetral da Vegetação
6CO2 + 6H2O C6H2O6 + 6O2
- Radiação visível (0.4 a 0.7 m) : PAR
- A nível de epiderme, somente 2 a 3% de refletância
- Interações microscópicas (Clorofila a, b e nos carotenóides)
- Na região do visível, o sinal é dominado pela refletância superficial; a refletância
interna é muito baixa
- Três regiões controlam a assinatura de uma folha:
- Visível: muito baixa refletância (absorções dominadas por pigmentos)
- NIR: alta refletância (refletância relacionada à estrutura da folha)
- MIR: refletância baixa (absorções controladas pela presença de água)
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Comportamento espetral da Vegetação
Sete Regiões Principais
- Azul (0.4 a 0.5 m): absorções controladas por carotenos e clorofila
- Verde (0.5 a 0.6 m): refletância ligeiramente mais alta (absorções devido
a clorofila…)
- Vermelho (0.6 a 0.7 m): sensibilidade à presença de clorofila
- Zona de transição (visível – infravermelho): “red edge”
- Sensível ao stress (1ª derivada)
- Faixa do NIR (0.7 a 1.3 m): ausência de absorções
- Radiação refletida e transmitida
- Zona de transição (NIR MIR):
- “NIR edge”
- MIR (1.3 a 2.5 m):
- Absorções OH- (H2O) predominam
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(1)
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Interação Folha-REM
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Refletância das folhas
(1)
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Refletância típica de uma copa de uma cultura
Comprimento de onda (nm)
Ref
letâ
nci
a
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Exemplos de curvas de refletância
(1)
(2)
(1) A areia com valores baixos na zona do visível; absorve e transmite bte calor, razão pela qual a areia na praia é tão quente.
(2) A neve tem uma refletância alta no visível (B). É por isso que fechamos parcialmente os olhos e ficamos bronzeados na presença da neve.
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A refletância da vegetação (fatores que afetam a refletância)
Fatores Morfológicos
- Densidade da cobertura vegetal
- Densidade da plantação
- Largura da folha
- Distância entre folhas
- Inserção foliar
Fatores Fisiológicos
- Idade da planta
- Deficit hídrico
- Tipo e espessura das folhas
- Nutrientes
- Conteúdo de água na folha
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Outros fatores
- Refletância efetiva de fundo (background, solo, rocha,
folhas mortas, sombra)
- Ângulo de iluminação solar
- Azimute do sol
- Ângulo de visada
Fatores que afetam a refletância da vegetação (cont)
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A refletância da vegetação - os índices de vegetação
Os índices de vegetação são indicadores que se baseiam nas grandes diferenças de refletância
que a vegetação verde apresenta nas regiões do visível e do infravermelho refletido, ao
contrário da vegetação morta ou seca e dos outros tipos de ocupação do solo (água, solo nu,
etc.). São uma combinação de operações aritméticas entre bandas espetrais, testadas
primeiramente com o sensor MMS e depois com os sensores TM e AVHRR.
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Como a AP pode desempenhar o seu papel
Os índices de refletância são obtidos por fórmulas baseadas em somas, diferenças ou frações de
dois ou mais comprimentos de onda do espetro indicativo de importantes funções da cultura.
Os índices mais comuns da vegetação (VI) são simples fracções (SR = RNIR / RR)(1) e índices
normalizados de diferenças vegetativas (NDVI= RNIR-RR / RNIR+RR);
PRI - Photochemical reflectance índex > PRI (R570-R531)/(R570 + R531), tem sido apresentado
com um bom índice para descriminar as culturas relativamente às diferenças entre os teores de
água e podem ser indicados como um bom índice do stress hídrico das plantas
Vários índices como RARSa, RARSb, RARSc estão relacionados com as alterações da composição
dos pigmentos e podem ser usados para deteção de deficiências de nutrientes, stress
ambientais e ataques de pragas
A biomassa verde (LAI), o índice de área verde (GAI), o índice de área verde das folhas (GLAI), a fração
fotossinteticamente ativa da radiação (PAR) estão correlacionados positivamente com os VI’s.
O acesso ao stress nas plantas é uma ferramenta fisiológica importante que tem sido demonstrada como
associada a alguns índices espetrais;
O índice de água (WI) tem demonstrado estar associado à quantidade de água, ao potencial hídrico das
folhas, à condutância dos estomas e à temperatura das folhas;
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Como a AP pode desempenhar o seu papel
Medindo-se periodicamente os índices da vegetação durante o ciclo vegetativo é possível
estimar a área foliar (LAD). Os indicadores de tolerância ao stress e a PAR total absorvida pela
copa são os fatores mais fiáveis para estimar a produção.
Os índices de refletância fotoquímicos (PRI)(2) permitem determinar o PRUE(3) e este PRUE é
induzido pelo estado nutricional da planta e stress hídrico.
A utilidade dos pigmentos na deteção remota inclui o acesso aos estados fenológicos da cultura
e à ocorrência de vários fatores do stress.
A previsão das produções utilizando índices de vegetação é uma das utilizações mais
importantes das propriedades espetrais.
Uma relação significativa pode ser estabelecida entre altas e baixas produções de genótipos de
soja pela utilização do NDVI como índice de refletância espetral (Ma et al., 2001)
DR pode fornecer informação fiável para monitorização da produção em trigos de inverno sob
diferentes situações de stress de azoto (Serrano et al., 2000)
(1)SR- Simple Ratio Index; (2) PRI - Photochemical reflectance índex > PRI (R570-R531)/(R570 + R531)
(1) As curvas estão tão afastadas por causa da refletância no verde e vermelho
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(1)
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As plantas com stress devido à deficiência de nutrientes, seca ou ataques de pragas são facilmenteidentificadas pois têm cor azul e verde claro (têm valores de NDVI + baixos).
Qto + verde > é o teor de clorofila + vigorosas são as plantas.
Índices normalizados das diferenças na vegetação (Normalized Difference Vegetation Index)
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Mapa da quantidade de biomassa gerado pelo sistema N-Sensor, a partir da leitura da refletância da luz pela planta
Fonte: Emilio Gil. 2004
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Caraterização do solo - Comportamento espetral
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Comportamento espetral dos solos
• Comportamento espetral dos solos
- Os solos são compostos de substâncias em três fases:.
- Sólida (minerais e matéria orgânica):
- Solos com minerais opacos e óxido de ferro: baixa refletância
- Solos arenosos tem maior refletância do que os argilosos (matéria orgânica)
Quanto maior a quantidade de matéria orgânica menor é a refletância
- Líquida (água):
- Alta humidade: baixa refletância
- Gasosa (ar)
(2)
(1)
(1) Os óxidos de ferro são avermelhados pois só refletem na faixa do vermelho, absorvendo a radiação no restante espetro; qto
mais claros os minerais maior é a sua refletância.
(2) A MO absorve grande parte da radiação, tem baixa refletância, daí a sua cor escura
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Comportamento espetral
Comportamento espetral das rochas e minerais:
- composição físico-química influência a resposta dos vários sensores (região do infravermelho
térmico) mesmo das zonas cobertas por vegetação e solo.
- rochas ricas em sílica (quartzo-feldspáticas) apresentam alta refletância (tonalidades claras)
- rochas ricas em magnésio e ferro caraterizam-se por baixa refletância (tonalidades escuras)
- rochas sedimentares arenosas apresentam maior refletância (tonalidades claras)
Objetos que não podem ser distinguidos na região do visível podem ter caraterísticas espetrais distintas em outras regiões do espetro.
Assinatura espetral - Curva de refletância
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Assinatura espetral - Curva de refletância
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Assinaturas espetrais da casta Cabernet Sauvignon , grão de bico (chick-peas) e solo (red-brown soil).
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Comparação entre a refletância actual da vegetação e a refletância na faixa do infravermelho utilizando (a) 4 bandas (multiespetrais) e (b) 13 bandas (hyperespetrais).
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Resolução espetralRefere-se a largura da banda espetral na qual a imagem é adquirida