Resposta Espectral de Alvos - Fundamentos e Aplicações em Sensoriamento Remoto

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS Profº Ms Profº Gabriel Pereira Profº Fábio Marcelo Breunig AEDI UFPA 2012 Disciplina Resposta Espectral de Alvos UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ ASSESSORIA DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA geotecnologias e suas aplicações GABRIEL PEREIRA1 1 Doutorando em Sensoriamento Remoto no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE e em Geografia Física na Universidade de São Paulo USP Sec PGSER Av dos Astronautas 1758 Jardim da Granja São José dos Campos SP CEP 12227010 FÁBIO MARCELO BREUNIG2 2 Prof Adjunto Dr Centro de Educação Superior do Norte do RS Universidade Federal de Santa Maria CESNORSUFSM Sala 59 bloco de apoio 4 CESNORS Linha sete de Setembro sn Frederico Westphalen RS CEP 98400000 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS 3 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC O sensoriamento remoto pode ser definido como o conjunto de técnicas relaciona das com a aquisição de informações e a análise de objetos sem o contato físico com este Neste contexto a interação dos alvos com a radiação eletromagnética está relacionada com as propriedades físicoquímicas e biológicas dos mesmos Tais informações são adquiri das a partir de sensores remotos que detectam e convertem em níveis digitais a radiação eletromagnética refletida ou emitida por determinado objeto da superfície terrestre Desta forma o o esse documento aborda noções teóricas sobre as principais grandezas radiomé tricas interações da radiação eletromagnética com os objetos superfície lambertiana e o fator de reflectância espectral Ainda serão abordadas noções gerais sobre radiômetros e espectrorradiômetros noções sobre a geometria de aquisição de dados medições no labo ratório e no campo procedimentos para a calibração dos espectrorradiômetros e placas de referência além da influência atmosférica nas medidas radiométricas Finalmente é salientado a respeito do comportamento espectral de diversos alvos da superfície como a vegetação os minerais e rochas os solos a água e as superfícies construídas RESUMO 4 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC 5 1 INTRODUÇÃO 7 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DE RADIOMETRIA 7 21 Grandezas Radiométricas 7 22 Interação da radiação eletromagnética com os objetos 12 23 Superfície Lambertiana e Fator de Reflectância Espectral 13 3 MEDIÇÕES ESPECTRAIS 16 31 Radiômetros e espectrorradiômetros 16 32 Geometria de aquisição de dados medições no Laboratório e no Campo e procedimentos para a calibração dos espectrorradiômetros e placas de referência 18 33 Influência Atmosférica nas medidas radiométricas 20 4 RESPOSTA ESPECTRAL DOS ALVOS 23 41 Comportamento espectral da vegetação 23 42 Comportamento espectral dos solos 25 43 Comportamento espectral de rochas e minerais 29 44 Comportamento espectral da água 32 45 Comportamento espectral de superfícies artificiais urbanas 35 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS 37 6 BIBLIOGRAFIA 38 SUMÁRIO RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC 6 Figura 1 Onda eletromagnética composta pelos campos magnético e elétrico perpendiculares entre si 8 Figura 2 Lei do cosseno da irradiância 10 Figura 3 Exitância referente à densidade de fluxo radiante emergente 10 Figura 4 Ângulo sólido de uma superfície qualquer 11 Figura 5 Intensidade Radiante 11 Figura 6 Radiância 12 Figura 7 a Unidade detectora e sistema de processamento b Filtros lentes e detectores c Área amostral IFOV 17 Figura 8 Esboço do cálculo da área amostral IFOV de um espectrorradiômet ro 18 Figura 9 Principais fatores e trajetórias da radiância espectral que atenuam in crementam e ocasionam ruídos no sinal captado pelos sensores 22 Figura 10 a Fluxo Radiante incidente Φi e os processos de reflexão Φr absorção Φa e transmissão Φt b Interação de uma folha com a radiação eletromag nética separada em faixas espectrais referentes ao azul B verde G vermelho R e infravermelho próximo IR e c Representação gráfica desta interação em bandas e em medidas contínuas 23 Figura 11 Assinatura espectral de uma folha 24 Figura 12 Assinatura espectral de 3 minerais constituintes dos solos gibbsita montmorilonita e caulinita 25 Figura 13 Assinatura espectral dos solos com diferentes níveis de umidade 26 Figura 14 Assinatura espectral dos solos com diferentes níveis de matéria orgâni ca 27 Figura 15 Assinatura espectral dos solos com diferentes níveis de granulome tria 27 Figura 16 Assinatura espectral de diversos tipos de rochas ígneas a sedimen tares b e metamórficas c 30 Figura 17 Assinatura espectral de diversos minerais presentes nas rochas 32 Figura 18 Assinatura espectral de de diversas concentrações de clorofilaa 33 Figura 19 Coeficiente de absorção da matéria orgânica dissolvida 34 Figura 20 Assinatura espectral de diferentes concentrações de matéria inorgâni ca em suspensão com sedimento argiloso 35 Figura 21 Assinatura espectral dos materiais mais comuns encontrados em am bientes urbanos 37 LISTA DE FIGURAS RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC 7 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC 1 INTRODUÇÃO O sensoriamento remoto se firmou como uma técnica capaz de dar suporte ao estudo de diversas variáveis ambientais devido à sua aplicabilidade nas ciências físicas biológicas e sociais Podese definir sensoriamento remoto como o conjunto de métodos para a obtenção de informações físicoquímicas e biológicas de determinado objeto sem o contato físico com este De um modo geral estas informações são adquiridas a partir de sensores remotos que detectam e convertem em níveis digitais ou níveis de cinza a radiação eletromagnética refletida ou emitida por determinado objeto O grande desenvolvimento de programas voltados à aquisição de dados ambientais através de satélites como o programa ERTS Earth Resource Technology Satellite criado na década de 60 sessenta e que mais tarde com o lançamento do segundo satélite da série renomeado para LANDSAT permitiram a maior e mais contínua cobertura temporal de cenários terrestres possibilitando diversos estudos ambientais Thome 2001 Desta forma em muitas aplicações que utilizam imagens de satélite a acurácia radiométrica e de posicionamento surgem como aspectos de fundamental relevância alterando os resultados obtidos Teillet 1997 e Röder et al 2005 enumeraram características do sensor topografia iluminação sombra direções de visadailuminação e contribuições atmosféricas como parâmetros que influenciam a qualidade radiométrica e consequentemente devem ser representados para que o usuário possa obter valores físicos mais precisos O uso de sistemas sensores para aquisição de dados terrestres em nível de campo ou laboratório obtidos a partir da radiação eletromagnética emitida ou refletida por estes alvos é fundamental para o entendimento e estudo da resposta espectral dos alvos Aliado a isso os sistemas sensores usados para essa medição normalmente são categorizados em função da região espectral em que operam Moreira 2005 Podese definir a resposta espectral dos alvos ou comportamento espectral dos alvos como a relação entre o fluxo refletido e o fluxo incidente para cada comprimento de onda do espectro eletromagnético curvas de reflectância espectral Desta forma cada objeto terrestre irá interagir diferentemente com a radiação eletromagnética devido à suas características físicoquímicas e biológicas originando uma espécie de assinatura espectral única De acordo com Novo 1989 o conhecimento da resposta espectral dos alvos é de grande importância visto que permite a extração de informações de imagens de sensores remotos a definição das características prioritárias de novos sensoresinstrumentos de acordo com a aplicação o préprocessamento e a forma de aquisição dos dados geometria frequência altura do imageamento resolução entre outros Além disto ele é necessário para a seleção das melhores combinações de bandas e filtros Todavia a observação de uma curva espectral de um alvo sem o conhecimento das condições de obtenção da mesma ou seja dos instrumentos e das condições experimentais em que as medidas foram obtidas não fornece informações suficientes sobre o mesmo Jensen 2007 Ressaltase que a reflectância espectral de um objeto pode ser estimada em todos os níveis de aquisição de dados orbital aéreo campo laboratório porém os resultados obtidos serão diferentes já que cada um deles é afetado por fatores como a geometria de aquisição de dados atenuação atmosférica e outros parâmetros relativos ao alvo e a mistura espectral Em laboratório estes fatores podem ser controlados entretanto no campo eles devem ser conhecidos para que correções possam ser feitas através de placas de referência Novo 1989 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DE RADIOMETRIA 21 Grandezas Radiométricas Por muitos séculos os cientistas consideravam que a radiação eletromagnética se comportava como 8 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC um fenômeno ondulatório ou como partículas discretas Em meados de 1860 James C Maxwell 18311879 físico inglês definiu a radiação eletromagnética como uma onda eletromagnética constituída de dois campos perpendiculares entre si um elétrico e outro eletromagnético Figura 1 que se desloca no espaço com uma velocidade de aproximadamente 300000 kms1 A relação entre o comprimento de onda λ e frequência ƒ da radiação eletromagnética é baseada na equação 1 c λ f 1 em que c representa a velocidade ms1 λ o comprimento de onda m e ƒ a frequência Hertz Hz Figura 1 Onda eletromagnética composta pelos campos magnético e elétrico perpendiculares entre si Fonte Adaptado de Jensen 2007 Além de suas propriedades ondulatórias a radiação eletromagnética pode se comportar como partícula explicada a partir da teoria corpuscular de Isaac Newton em 1704 No século XX Niels Bohr 18851962 e Max Planck 18581947 reconheceram a natureza discreta das trocas de energia radiante e propuseram a teoria quântica da radiação eletromagnética Nesta teoria a energia é transferida na forma de pacotes discretos denominados quantum ou fóton Neste caso a quantidade de energia quântica discretizada é dada pela equação 2 Q f 2 em que representa a Energia Radiante Joules J a constante de Planck 6626 x 1034 Js e ƒ a frequência Hz A energia radiante representa a quantidade de energia transportada pela radiação eletromagnética com a capacidade de realizar um trabalho físico aquecer um objeto ou causar uma mudança no estado da matéria Podese concluir que a energia presente no quantum é proporcional à frequência ou seja quanto maior a frequência maior a energia contida na partícula Ainda a equação 2 que representa a energia radiante pode ser expressa em relação ao comprimento de onda proveniente da equação 1 9 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC c Q λ 3 Percebese que a energia de um quantum é inversamente proporcional a seu comprimento de onda Assim quanto maior o comprimento de onda como por exemplo ondas na região do espectro eletromagnético referente ao infravermelho distante ou mesmo ondas de rádio menor será o quantidade de energia envolvida no processo tornando difícil a detecção por sensores remotos Jensen 2007 A partir da energia radiante podemse estabelecer várias grandezas radiométricas Estas são importantes no estudo da resposta espectral dos alvos e nos processos envolvidos na radiometria O Fluxo Radiante Φ ou Potência Radiante é a quantidade de energia radiante que passa de uma posição para outra em determinado intervalo de tempo em segundos s representado por Q t Φ 4 em que Φ representa o fluxo radiante Js1 ou Watt W a quantidade de energia radiante e o período de tempo s Destacase que o fluxo radiante pode ser incidente Φi absorvido Φa refletido Φr e transmitido Φt e é medido por sensores remotos em uma fração muito pequena de tempo integração em sistemas eletroópticos A Irradiância E ou densidade de fluxo radiante incidente Figura 2 é a quantidade de fluxo radiante por unidade de área da superfície ou seja é a energia radiante que atravessa uma determinada superfície num intervalo de tempo i Q E A t A Φ 5 em que E representa a irradiância Wm2 e A é a área da superfície m2 Entretanto a equação acima é valida apenas para superfícies planas e para um fluxo radiante unidirecional que incide perpendicularmente sobre uma determinada área Em casos na qual a direção do fluxo é inclinada Figura 2 em relação ao ângulo θ entre a normal e à superfície a área de incidência aumenta significativamente porém o fluxo radiante permanece inalterado Deste modo a irradiância diminui pois o fluxo radiante incide em uma área maior A variação da irradiância com o ângulo de incidência é descrita pela lei do cosseno da irradiância i E A θ Φ 6 0 0 cos cos i i E E A A θ θ Φ Φ 7 Substituindo 7 em 6 temos 0 cos E E θ θ 8 10 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC Figura 2 Lei do cosseno da irradiância A Exitância Radiante M representa a densidade de fluxo radiante emergente de uma superfície por unidade de área desta superfície Figura 3 ou seja é a energia radiante que deixa uma determinada área out M A Φ 9 em que M é a exitância radiante Wm2 e representa o fluxo radiante que deixa determinada superfície W Ressaltase que a única diferença entre a irradiância e a exitância radiante é o sentido do fluxo radiante Figura 3 Exitância referente à densidade de fluxo radiante emergente O ângulo sólido ω representa os ângulos em três dimensões e proporciona uma noção do campo de visão de determinado objeto ou fonte Figura 4 Este caracteriza o ângulo cônico subentendido por uma porção da esfera e é definido como a razão entre a área e o quadrado do raio da esfera obtida a partir da equação 10 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC 2 A cos r θ ω 10 em que ω representa o ângulo sólido esferorradiano sr e r o raio da esfera m Figura 4 Ângulo sólido de uma superfície qualquer A Intensidade Radiante I é o fluxo irradiado de uma fonte pontual em uma dada direção mensurada em determinado ângulo sólido infinitesimal Figura 5 I ω Φ 11 em que I representa a intensidade radiante Wsr1 Podese definir uma fonte pontual como uma fonte na qual sua dimensão é considerada desprezível quando comparada com a distância em relação ao observador Figura 5 Intensidade Radiante 11 12 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC A Radiância L é uma das mais importantes grandezas radiométricas no sensoriamento remoto sendo independente da distancia alvosensor enquanto o alvo for homogêneo Esta descreve a distribuição da radiação no espaço e representa o brilho de um elemento na superfície A radiância de uma amostra da superfície em uma determinada direção pode ser calculada pela razão entre o fluxo radiante refletido ou emitido por unidade de área projetada e por unidade de ângulo sólido na direção considerada Figura 6 cos L ω A θ Φ 12 em que L representa a radiância Wm2sr1 Figura 6 Radiância 22 Interação da radiação eletromagnética com os objetos A interação da radiação eletromagnética com os alvos terrestres pode ser realizada a partir de três processos absorção reflexão e transmissão De acordo com a lei de Kirchhoff de conservação de energia a soma do fluxo radiante refletido em cada comprimento de onda Φrλ do fluxo radiante absorvido em cada comprimento de onda Φrλ e do fluxo radiante transmitido em cada comprimento de onda Φrλ será igual ao fluxo radiante incidente em determinado objeto em cada comprimento de onda Φiλ como visualizado na equação 13 i r a t λ λ λ λ Φ Φ Φ Φ 13 Ressaltase que esta relação é fundamentada no total do fluxo radiante incidente proveniente de qualquer ângulo contido em um hemisfério como por exemplo metade de uma esfera Ainda a radiação eletromagnética irá interagir diferentemente com cada objeto tendo em vista suas características físicoquímicas e biológicas de forma que a soma de cada componente refletida absorvida eou transmitida normalizada em relação ao fluxo radiante incidente será sempre 1 um 1 refletido absorvido transmitido i i i λ λ λ λ λ λ Φ Φ Φ Φ Φ Φ 14 13 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC A partir da equação 14 podese definir matematicamente a reflectância a absortância e a transmitância de determinado objeto A reflectância hemisférica espectral ρλ adimensional é caracterizada pela razão entre o fluxo radiante refletido pelo objeto e o fluxo radiante nele incidido em cada comprimento de onda equação 15 Esta se refere à parte do fluxo radiante incidente que é refletida pelo material ou é espalhadadesviada para outras direções de propagação diferentes da direção inicial refletido i λ λ λ ρ Φ Φ 15 A transmitância hemisférica espectral τλ adimensional pode ser definida como a razão entre o fluxo radiante transmitido pelo objeto e o fluxo radiante nele incidido em cada comprimento de onda Nesta propriedade de cada objeto ou superfície a energia incidente não sofre interação com o material sendo inteiramente transmitida através deste transmitido i λ λ λ τ Φ Φ 16 A absortância hemisférica espectral αλ adimensional pode ser definida como a razão entre o fluxo radiante absorvido pelo objeto e o fluxo radiante nele incidido em cada comprimento de onda Neste caso parte da energia é absorvida pelos átomos e moléculas que compõem cada objeto aumentando a energia interna deste 1 absorvido i λ λ λ λ λ λ α α ρ τ Φ Φ 17 23 Superfície Lambertiana e Fator de Reflectância Espectral Para entender o conceito de fator de reflectância tornase necessário compreender primeiramente a definição de superfície lambertiana A maioria dos objetos da superfície terrestre são perceptiveis ao olho humano porque recebem radiação eletromagnética de outras fontes na região do espectro eletromagnético referente ao visível como por exemplo o sol as lâmpadas entre outras Dada as características físico químicas e biológicas de cada alvo a radiação eletromagnética irá interagir com este e parte será refletida Consequentemente superfícies muito lisas como por exemplo espelhos e materiais metálicos apresentam uma direção preferencial de reflexão reflectância especular Entretanto superfícies porosas tendem a refletir a radiação eletromagnética em todas as direções Estas superfícies são conhecidas como superfícies difusas ou lambertianas ou seja a intensidade radiante I varia de acordo com o cosseno do ângulo de incidência em relação à normal Lei do Cosseno de Lambert o cos I I θ θ 18 14 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC Todavia a radiância refletida ou emitida de uma superfície difusa ou lambertiana pode ser calculada a partir da razão entre a intensidade radiante e a área projetada na direção da medição indicando que a radiância de uma superfície lambertiana não varia com a direção de observação cos cos I L e I L A A θ ω θ ω θ Φ Φ 19 Para fontes lambertianas utilizase a equação 18 logo uma superfície lambertiana independe do ângulo de visada cos cos o o I I L cte A A θ θ 20 A Radiância proveniente de um alvo pode ser considerada como a principal grandeza radiométrica para a obtenção de propriedades intrínsecas do objeto como por exemplo o espectro de reflectância Porém para obter a reflectância de determinado objeto a partir da radiância é necessário relacionála com a exitância radiante e irradiância Podese calcular o ângulo sólido a partir da relação geométrica entre suas componentes zenital e azimutal φ sen ω θ θ ϕ 21 Utilizando o fluxo radiante que sai de uma determinada área exitância radiante podemos descrever a radiância como cos cos M L M L sen sen θ ϕ θ θ θ ϕ θ θ θ ϕ 22 Integrandose zenitalmente 0 a π2 azimutalmente 0 a 2π e sabendo que a radiância é constante para superfícies lambertianas temse 2 2 0 0 cos M L sen π π θ θ θ ϕ 23 2 2 2 2 2 0 0 0 1 2 2 0 2 2 2 2 sen sen sen M L L L π π π θ ϕ π π 24 M π L 25 15 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC Aplicandose um artifício matemático divisão dos termos da equação pela área da superfície podese relacionar a radiância da equação 25 com a reflectância de cada alvo a partir do fluxo radiante que deixa um alvo e o fluxo radiante incidente out out in in M A E A δ δ δ ρ δ δ δ Φ Φ Φ Φ 26 E M E M L E L ou L ρ ρ π ρ π π 27 Contudo geralmente os alvos naturais não são perfeitamente difusos sendo assim a intensidade do fluxo refletido varia com o ângulo de saída Consequentemente a radiação eletromagnética irá compreender duas distribuições hemisféricas uma de entrada e outra de saída sendo a interação entre essas duas que compreende o foco de interesse no campo da espectroscopia Milton 1987 Segundo Milton 1987 a reflectância pode ser dada pela equação 28 entretanto o cálculo de não é possível devendose então achar uma alternativa para o fator de reflectância Esta alternativa é encontrada através da padronização da radiância refletida de uma superfície por outra superfície perfeitamente difusa lambertiana ideal sobre as mesmas condições de irradiação iluminação θ e de geometria observação ϕ r r i i L E θ φ θ φ π ρ 28 Definese Fator de Reflectância Espectral FRλ como a razão entre a radiância espectral da amostra Lλa pela radiância espectral de uma superfície lambertiana ideal Lλr nas mesmas condições de iluminação e observação o o o o o o i i i i i i La FR Lr θ φ θ φ λ θ φ θ φ λ θ φ θ φ λ 29 Podese dizer que o fator de reflectância espectral equivale à reflectância do alvo se mantidas a mesma geometria de observação e a mesma irradiância como demonstrado abaixo La E FR sendo L Lr λ λ λ λ λ λ ρ π 30 Portanto 16 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC a a r r E FR E λ λ λ λ λ λ λ ρ ρ π ρ ρ π 31 Para uma superfície lambertiana ideal a reflectância espectral é igual a 1 100 em todo o espectro eletromagnético Logo o fator de reflectância espectral do alvo é igual à reflectância espectral deste 1 a a FR FR λ λ λ λ ρ ρ 32 Em geral os fluxos considerados na determinação da reflectância estão contidos em dois ângulos sólidos incidente e observado Desta forma quando o ângulo de incidência do objeto for menor do que 20º este é denominado direcional Do mesmo modo ângulos entre 20 e 170º recebem a denominação de cônico Por sua vez ângulos maiores que 170º são denominados hemisféricos Ainda tanto o ângulo de iluminação quanto o ângulo de observação podem ter por exemplo valores inferiores a 20º o que caracteriza um fator de reflectância bidirecional ou mesmo um ângulo de incidência de 40º e ângulo de observação de 6º fator de reflectância cônicadirecional Sobre a terminologia das medidas de reflectância e a geometria de aquisição e iluminação sugerimos a revisão de SchaepmanStrub et al 2006 3 MEDIÇÕES ESPECTRAIS 31 Radiômetros e espectrorradiômetros Os radiômetros são instrumentos utilizados para medir o fluxo radiante de determinado objeto ou fonte Entre as principais características dos radiômetros ressaltase a capacidade de medir as grandezas radiométricas em regiões do espectro eletromagnético referentes ao ultravioleta visível infravermelho próximo infravermelho médio infravermelho termal entre outras Além disso as medidas realizadas por estes instrumentos podem ser realizadas para um determinado intervalo do espectro multiespectral ou in band ou em faixas espectrais estreitas sendo então denominados espectrorradiômetros Entre os principais componentes dos radiômetros e espectrorradiômetros destacamse a os componentes ópticos espelhos lentes responsáveis por direcionar os fluxos radiantes espectrais cada λ para detectores específicos b filtros e seletores que selecionam o intervalo espectral que sensibiliza cada detector c detectores responsáveis por receber a radiação eletromagnética e produzir um sinal elétrico proporcional à energia absorvida pelos componentes químicos que constituem este componente e d componentes eletrônicos e unidades de saída dispositivos responsáveis por amplificar digitalizar e eliminar os ruídos eletrônicos gerados no processo de sensibilização dos detectores assim como processar os dados e originar formatos compatíveis para a visualização e exportação Nos últimos anos o número de espectrorradiômetros e sensores espectrais aerotransportados têm aumentado significativamente Cada instrumento possui suas características como por exemplo resolução espectral intervalo de amostragem faixa do espectro eletromagnético em que atua área amostral Instataneous Field of View IFOV resolução radiométrica entre outras Entre os principais espectrorradiômetros podese 17 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC citar o PIMA II ASD FieldSpec Pro e CSIRO Core Logger Uma das grandes vantagens de utilizada sensores terrestres ou aerotransportados em relação aos orbitais referese à alta relação entre o sinal e o ruído SNR Quando maior for essa relação melhor é a qualidade do espectromedida gerada O PIMA II caracterizase por emitir a própria fonte de radiação eletromagnética que irá interagir com os alvos e ser observado pelo sensor Entre as principais especificações do PIMA II destacamse as 601 bandas que adquirem informações na faixa do espectro eletromagnético entre 1300 a 2500nm Este equipamento é utilizado principalmente para a análise do comportamento espectral de solos e minerais e equivale a obtenção de informações na faixa espectral do SWIR infravermelho de ondas curtas Diferentemente do PIMA II os espectrorradiômetros FieldSpec Pro e CSIRO Core Logger necessitam que uma fonte externa de radiação eletromagnética incida no alvo como por exemplo o sol ou uma lâmpada halógena que emite radiação eletromagnética na faixa espectral dos instrumentos O FieldSpec Pro é fabricado pela empresa norteamericana Analytical Spectral Devices ASD O intervalo espectral abrangido pelo FieldSpec Pro FR é de 350 a 2500 nm sua resolução espectral é de 3 a 10 nm separadas em 1250 bandas e o tempo para aquisição de dados é de aproximadamente 110 de segundo por espectro Este espectrorradiômetro possui várias aplicações nas ciências ambientais e possibilita a coleta de espectros de radiância e de reflectância no intervalo espectral de grande parte dos satélites orbitais sendo comumente utilizado como verdade terrestre e para originar bibliotecas espectrais O CSIRO Core Logger é um espectrorradiômetro não portátil com 200 bandas entre 400 e 2500 nm Neste equipamento enquanto uma lâmpada halógena provém o fluxo radiante necessário o sistema realiza uma varredura contínua a cada centímetro ao longo de uma área amostral permitindo uma análise de 500 metros por dia Mauger 2003 A Figura 7 exemplifica um espectrorradiômetro óptico e sua área projetada em função do campo de visada Figura 7 a Unidade detectora e sistema de processamento b Filtros lentes e detectores c Área amostral IFOV O cálculo da área amostral leva em consideração o campo de visada e a altura do sensor até a superfície de referência Desta forma se um radiômetro ou espectrorradiômetro possuir um campo de visada α a área projetada pelos detectores será uma relação trigonométrica de triângulos retângulos com ângulo α2 Figura 18 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC 8 Ressaltase que a projeção dos detectores na superfície é elíptica porém é comum utilizar a área de um quadrado equação 33 ou mesmo de um círculo Área Amostralcm2 2tanα2Altura cm 2 33 Figura 8 Esboço do cálculo da área amostral IFOV de um espectrorradiômetro 32 Geometria de aquisição de dados medições no Laboratório e no Campo e procedimentos para a calibração dos espectrorradiômetros e placas de referência A geometria de aquisição de dados de sensoriamento remoto tanto em campo quando em laboratório exige que algumas normas sejam seguidas para melhorar a consistência e a acurácia dos dados coletados por radiômetros e espectrorradiômetros Dentre elas sugerese a O uso de um mastro ou um tripé sempre que possível para assegurar uma geometria fixa entre o sensor a placa de referência e o alvo b Certificar que a área projetada pelo IFOV do sensor esteja sobre o objeto na qual se deseje mensurar c Sempre nivelar o sensor e ao posicionar outro equipamento no caso de coleta em campo manter a mesma geometria de coleta em relação ao sol com exceção de estudos de anisotropia d Certificar que a placa de referência preencha o campo de visada do sensor e que o mesmo não projete sua sombra sobre a placa de referência e Se possível posicionar um piranômetro próximo à área de estudo durante a obtenção das medidas pois permitirá que todas as anomalias nos dados sejam preliminarmente relacionadas e possivelmente corrigidas ou descartadas f Analisar a variabilidade atmosférica interrompendo a tomada de medidas em eventuais encobrimentos parciais por nuvem g Utilizar quando possível roupa escura h Manter uma distância significativa do alvo e não projetar sua sombra sobre o mesmo i Manter veículos e materiais que possam refletir a radiação eletromagnética na direção do alvo a uma distância considerável Milton 1987 Ainda é importante verificar as condições do alvo presença de umidade orvalho achatamentos sombra objetos próximos entre outros e anotar a sequência das medidas para posterior análise Além disso sempre que possível associar as medidas com as seguintes informações localização geográfica latitude e longitude horário da medida hora e minutos condições do céu tipo e quantidade de nuvens se existirem nome e número de série do instrumento utilizado a altura do sensor em relação ao alvo tamanho da área amostral projetada na superfície tempo decorrido entre as medidas da placa e do alvo e anotar quando houver 19 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC atraso entre a medida do alvo e a medida da placa de referência Milton 1987 No sensoriamento remoto a interação dos alvos com a radiação eletromagnética está relacionada com as propriedades físicoquímicas e biológicas dos mesmos sendo que esta interação descreve sua resposta espectral Novo 1998 Moraes et al 1996 que pode ser medida por instrumentos ópticoeletrônicos capazes de registrar a interação do alvo com a radiação ao longo do espectro eletromagnético Em campo é possível obter a resposta espectral de um objeto interagindo com o seu meio e em laboratório é possível controlar o ambiente em torno do alvo Porém em ambos os casos devese sempre verificar a calibração da unidade detectora e da placa de referência Em muitas práticas de campo e laboratório é comum utilizar uma unidade detectora que não foi calibrada recentemente ou mesmo uma placa de referência feita de outros materiais ou que se encontra danificada ou suja produzindo uma resposta abaixo da esperada superfície lambertiana com reflectância espectral próxima a 100 Nestes casos tornase necessária a calibração da unidade detectora a partir de uma unidade detectora calibrada assim como a calibração da placa de referência utilizada a partir de uma placa padrão de laboratório Desta forma em experimentos que utilizem duas unidades detectoras ou uma unidade detectora não calibrada o fator de reflectância espectral deve sofrer correções devido às diferenças de sensibilidade e ruído entre as unidades detectoras Nestes casos o fator de intercalibração espectral entre a radiância espectral da unidade detectora utilizada nas medidas Lλ1 e a a radiância espectral da unidade detectora padrão Lλ2 é dado por 1 2 L I L λ λ λ 34 Do mesmo modo o fator de intercalibração espectral entre a radiância espectral da placa padrão de laboratório Lλp e a radiância espectral da placa de referência utilizada nas medidas Lλr é dado por p r L K L λ λ λ 35 A partir dos coeficientes acima obtémse o Fator de Reflectância Espectral FRλ a partir de o o o o o o i i i i i i La FR Lr I K θ φ θ φ λ θ φ θ φ λ θ φ θ φ λ λ λ 36 Ressaltase que as curvas espectrais dos alvos na superfície terrestre podem variar de acordo com a posição do Sol azimute solar ângulo de elevação solar e direção de apontamento do sensor em relação ao nadir Neste sentido a observação da curva espectral de um alvo sem o conhecimento das condições de aquisição dos instrumentos e das condições experimentais em que as medidas foram obtidas não fornecem informações suficientes sobre os mesmos Goltz 2005 Ainda as condições geométricas da aquisição dos dados de sensoriamento remoto são muito importantes na definição dos tipos de produtos gerados uma vez que a falta destas informações implica em ambiguidade e erros na terminologia utilizada para a definição dos produtos e consequentemente erros na aplicação destes dados pela comunidade científica Ainda frequentemente é 20 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC negligenciada a descrição das condições físicas das medidas geometrias condições atmosféricas dificultando o entendimento e aplicação dos dados obtidos SchaepmanStrub et al 2006 Passando para a avaliação do comportamento espectral de alvos a partir de sensores orbitais Hyperion EO1 a geometria e da relação sinal ruído pode afetar significativamente a resposta espectral dos alvos Nesse caso a direção de espalhamento da radiação eletromagnética e a magnitude do ângulo zenital e azimutal de visada e iluminação devem ser considerados Geralmente quando alvos são imageados na direção do espalhamento frontal forward scattering há uma maior contribuição de elementos sombreados Por outro lado quando um alvo é visto na direção do retroespalhamento backscattering uma maior predominância de componentes iluminados contribui para a radiância detectada pelo sensor 33 Influência Atmosférica nas medidas radiométricas As condições atmosféricas principalmente no que concerne aos dados aerotransportados e orbitais representam um parâmetro de elevada influência na refletância da superfície e radiância espectral Esta influência ocorre antes e após a interação da radiação eletromagnética com a superfície terrestre visto que a radiação eletromagnética interage com a atmosfera espectralmente sofrendo dois processos de atenuação absorção e espalhamento A absorção pode ser caracterizada como um processo na qual a energia radiante é absorvida e convertida em outras formas de energia como por exemplo calor ou trabalho Esta ocorre quando a frequência da energia incidente e a frequência de ressonância de determinado átomo ou molécula são idênticas A absorção atenua a quantidade de radiação eletromagnética que chega ao alvo e ao sensor e ocorre quando o feixe de radiação interage com os gases radiativamente ativos Na faixa do espectro solar os principais gases absorvedores são o ozônio e vapor de água sendo o oxigênio e o gás carbônico considerados absorvedores secundários Na faixa do espectro infravermelho médio e distante os principais gases absorvedores são vapor de água gás carbônico metano óxido nitroso e gases da família dos clorofluorcarbonos Ainda a radiação eletromagnética também sofre atenuação devido à presença de aerossóis e de nuvens na atmosfera Jensen 2007 O espalhamento atmosférico por sua vez incrementa a radiância proveniente da superfície com uma componente atmosférica conhecida como radiância de trajetória que é dependente do tamanho molecular dos constituintes atmosféricos O espalhamento é tratado com sendo seletivo e nãoseletivo alterando quantitativamente a radiância espectral que incide na superfície e retorna ao sensor Thome 2001 Hu et al 2001 Vermote et al 2002 Röder et al 2005 A radiação eletromagnética ao ser espalhada pelos gases constituintes da atmosfera depende principalmente do tamanho das moléculas de aerossóis ou gases disposição dos átomos e composição química A intensidade e a direção do espalhamento dependem fortemente da razão entre os diâmetros das partículas presentes na atmosfera e o comprimento de onda incidente nestas partículas Desta forma se a radiação eletromagnética for espalhada por partículas cujo raio é muito menor que o comprimento de onda incidente este espalhamento é denominado Rayleigh ou molecular partículas menores que 01 μm O espalhamento Rayleigh é inversamente proporcional ao comprimento de onda incidente elevado a quarta potência e afeta com maior intensidade os comprimentos de onda menores 4 1 ERayleigh λ 37 21 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC A fórmula acima permite a dedução que quanto menor o comprimento de onda maior o espalhamento pelas moléculas presentes na atmosfera Consequentemente a região do espectro eletromagnético referente ao azul é espalhada 55 vezes mais que a região do vermelho interferindo significativamente nas medidas realizadas em campo Entretanto a região do espectro eletromagnético referente ao violeta possui comprimentos de onda menor que a do azul perguntase então por que o céu não é violeta A resposta está na proporção de energia emitida pelo sol nas faixas do violeta e na faixa do azul Ao se integrar a formula de Planck Bλ em faixas espectrais podese obter a radiância espectral emitida pelo sol considerandoo como um corpo negro 2 5 2 1 b a c kT c B d e λ λ λ λ π λ λ 38 em que ℏ representa a constante de Planck 6663x1024js1 c a velocidade da luz 3x108ms e k a constante de Boltzmann 138x1023jK1 Desta forma integrandose a equação acima no comprimento de onda correspondente a faixa do espectro eletromagnético referente ao violeta e ao azul e relacionandoa com o total emitido pelo sol obtémse o percentual emitido para cada faixa No violeta o sol emite cerca de 5 ou 35333 watts de sua emitância total entretanto no azul ele emite aproximadamente 7 44315 watts Consequentemente embora o violeta apresente um maior espalhamento pela atmosfera Espalhamento Rayleigh a cor predominante é o azul devido à quantidade de energia emitida pelo sol nesta faixa e a espessura da camada atmosférica que a radiação eletromagnética transpõe até incidir na superfície profundidade óptica Podese concluir que à medida que um observador alcança altitudes mais elevadas na atmosfera este irá encontrar um céu cada vez mais escuro passando pelo violeta que foi espalhando nas camadas mais elevadas da atmosfera até detectar a cor negra Ainda se a radiação eletromagnética for espalhada por partículas pólen fumaça gotas de água cujo raio é equivalente ou maior que o comprimento de onda incidente este espalhamento é denominado Mie ou LorentzMie que é responsável pela aparência branca das nuvens Diferentemente dos espalhamentos mencionados acima o espalhamento NãoSeletivo é independente do comprimento de onda e ocorre na baixa porção da atmosfera quando as partículas são muito maiores do que a radiação incidente espalhando igualmente todos os comprimentos de onda como por exemplo uma neblina A radiação eletromagnética uma vez que incide na atmosfera terrestre interage com os diversos gases vapor de água e aerossóis que a compõem sendo espalhada absorvida refletida e refratada Tais interações afetam as medidas realizadas por espectrorradiômetros em campo sensores aerotransportados e por instrumentos a bordo de satélites Geralmente a radiância L registrada pelos detectores é uma função do total do fluxo radiante que deixa determinado alvo da superfície terrestre em um ângulo sólido específico contido no ângulo de visada do equipamento Jensen 2007 Porém é comum que outras fontes de radiância sensibilizem os detectores e introduzam um sinalruído que não é característico do objeto em questão Entre os principais fatores e trajetórias da radiação eletromagnética que atenuam incrementam e ocasionam ruídos no sinal captado pelos sensores podese destacar a Irradiância solar espectral direta Eoλ no topo da atmosfera que incide sobre a área de estudo devido à alta transmitância espectral da atmosfera τaλ em determinadas faixas do espectro eletromagnético b Irradiância solar espectral difusa Edλ que sofre os processos de espalhamento na atmosfera e incide no sensor sem interagir com a superfície c Irradiância solar espectral difusa Edλ que sofre os espalhamentos Rayleigh Mie e Nãoseletivo ou tem parte de seu 22 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC fluxo radiante absorvido e incide sobre a área de estudo d Radiância que foi refletida ou espalhada por áreas vizinhas e Radiância que foi refletida por áreas vizinhas para a atmosfera e espalhada ou refletida para a área de estudo e f Atenuação do sinal captado pelo sensor devido ao espalhamento e absorção da radiância que deixa determinado alvo da superfície terrestre em determinado ângulo sólido Figura 9 Desta forma podese concluir que a irradiância solar espectral total que irá incidir sobre uma determinada superfície é uma função de diversas componentes Jensen 2007 2 1 cos i g o a d E E E d λ λ λ λ λ λ τ θ λ 39 Consequentemente apenas uma pequena fração do fluxo radiante incidente em determinada área da superfície terrestre Irradiância será refletida em direção ao sensor Assim se assumirmos que a terra se comporta como uma superfície lambertiana a radiância que deixa a área de estudo e sensibiliza os detectores pode ser definida como 2 1 1 cos s i alvo a o a d L E E d λ λ λ λ λ λ λ λ ρ τ τ θ λ π 40 Figura 9 Principais fatores e trajetórias da radiância espectral que atenuam incrementam e ocasionam ruídos no sinal captado pelos sensores Fonte Adaptado de Jensen 2007 Ressaltase que a radiância que deixa a área de estudo não é a única a sensibilizar os detectores como demonstrado na Figura 9 Como este efeito é indesejável existem várias metodologias dedicadas à remoção 23 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC do efeito atmosférico sobre a radiância da superfície como por exemplo o Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum 6S o Moderate Spectral Resolution Atmospheric Transmittance Algorithm and Computer Model MODTRAN o Low Spectral Resolution Atmospheric Transmittance Algorithm and Computer Model LOWTRAN além de bibliotecas inseridas em programas de processamento digital de imagens como por exemplo o Fast Lineofsight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes FLAASH disponibilizado no Environment for Visualizing Images ENVI Vermote et al 1997 Thome 2001 Hu et al 2001 Röder et al 2005 4 RESPOSTA ESPECTRAL DOS ALVOS Os variados tipos de alvos irão interagir de forma diferenciada com a radiação eletromagnética incidente devido principalmente às características físicoquímicas e biológicas de cada um Essas características possibilitam a distinção e o reconhecimento dos diversos objetos terrestres Esse reconhecimento ocorre de acordo com a variação da porcentagem de energia refletida em cada comprimento de onda e a identificação de padrões de reposta e feições típicas dos elementos Jensen 2007 Como demonstrado anteriormente ao incidir e interagir com os objetos a radiação eletromagnética pode ser parcialmente refletida absorvida e transmitida de acordo com a Figura 10 Figura 10 a Fluxo Radiante incidente Φi e os processos de reflexão Φr absorção Φa e transmissão Φt b Interação de uma folha com a radiação eletromagnética separada em faixas espectrais referentes ao azul B verde G vermelho R e infravermelho próximo IR e c Representação gráfica desta interação em bandas e em medidas contínuas Fonte Steffen et al 1996 Assim o conjunto dos valores sucessivos da reflectância ao longo do espectro eletromagnético define o comportamento espectral de um objeto também conhecido como a assinatura ou resposta espectral deste caracterizado pela forma intensidade e localização de cada banda de absorção ou ainda emissividade Portanto o conhecimento do comportamento espectral dos objetos terrestres é muito importante como por exemplo na escolha a região do espectro mais propícia ao se adquirir dados para uma determinada aplicação Steffen et al 1996 Fisicamente os processos de absorção e reflexão são explicados por transições eletrônicas na região do visível e infravermelho próximo nível atômico e processos vibracionais no infravermelho médio e distante nível molecular Nesse último caso é comum trabalhar com a emissividade dos alvos 41 Comportamento espectral da vegetação O comportamento espectral da vegetação relacionase com a reflectância da radiação eletromagnética pelas plantas assim como por suas folhas galhos plantas individuais e conjunto de plantas Ponzoni e Disperati 24 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC 1995 A folha é o principal órgão absorvedor da REM e é o elemento que mais contribui para o sinal detectado por sensores remotos Nas folhas podese destacar três fatores dominantes que influenciam no comportamento espectral da vegetação pigmentos da folha estrutura celular e conteúdo de água Cardoso e Ponzoni 1996 Moreira 2003 A influência desses fatores é dependente do comprimento de onda A assinatura espectral de uma vegetação sadia pode ser visualizada na Figura 11 Na região do espectro eletromagnético referente ao visível 04 a 07 µm ou 400 a 700 nm os pigmentos das folhas dominam a assinatura espectral e são compostos por aproximadamente 65 de clorofila 29 de xantofilas e 6 de carotenos todos esses presentes nos cloroplastos Nesta região ocorre uma alta absorção da radiação eletromagnética pela clorofila a 043 e 066 µm e clorofila b 045 e 065 µm para a realização da fotossíntese ocorrendo uma menor absorção da radiação eletromagnética no comprimento de onda referente ao verde próximo a 054 µm o que permite que uma folha verde e saudável apareça verde aos nossos olhos Jensen 2007 Entretanto algumas componentes das folhas são praticamente transparentes à radiação eletromagnética na região do infravermelho próximo entre 07 e 13 µm como por exemplo a epiderme e a cutícula Entretanto ao incidir nas células do mesófilo esponjoso e nas cavidades de ar presentes no interior da folha a radiação eletromagnética sofre múltiplos espalhamentos e refração devido à diferença de meios aumentando desta forma a reflectância no infravermelho próximo Na região espectral do infravermelho médio entre 13 e 3 µm a resposta espectral é dominada principalmente pela absorção da radiação eletromagnética pelas moléculas de água sendo evidentes bandas de absorção próximas a 14 µm 19 µm e 25 µm que ao absorver a radiação causam a diminuição nos valores de reflectância Ponzoni e Shimabukuro 2007 Ainda a radiação eletromagnética será refletida de forma minoritária nas células da camada superficial das folhas sendo a maior parte transmitida para o mesófilo esponjoso e como o número de paredes celulares na folha é grande parte da radiação eletromagnética será refletida de volta para o hemisfério de incidência e outra parte será transmitida através da folha Ainda a espessura da folha determinará a trajetória da radiação sendo que para folhas finas a transmitância da radiação eletromagnética será maior do que a reflectância ocorrendo o contrário para as folhas grossas Steffen et al 1996 Figura 11 Assinatura espectral de uma folha Fonte Adaptado de Novo 1998 e Moreira 2003 O ciclo fenológico determina mudanças estruturais da vegetação ao longo da estação de crescimento as quais resultam em mudanças gradativas na reflectância espectral definindo um perfil espectrotemporal para a mesma A caracterização destes perfis permite a diferenciação entre as espécies vegetais sendo que 25 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC uma folha em processo de senescência caracterizase pela degradação dos constituintes celulares pela perda de água e pelas modificações da estrutura do mesófilo esponjoso em que estes fenômenos são visualizados principalmente através da mudança da cor e desidratação das folhas PONZONI e SHIMABUKURO 2007 Galvão et al 2011 mostraram que a aplicação do sensoriamento remoto hiperespectral ao estudo da vegetação requer que o usuário considere algumas categorias de variáveis que interferem no comportamento espectral dos alvos parâmetros biofísicos da vegetação estágio de desenvolvimento tipos de manejo calendário agrícola e os aspectos regionais 42 Comportamento espectral dos solos Os solos são formados basicamente a partir da decomposição das rochas provocada pelas intempéries associadas às condições climáticas A reflectância e a absorção da radiação eletromagnética pelos solos são determinadas por processos de transição atômica e vibracionais dependentes dos elementos químicos que constituem o solo o teor de matéria orgânica umidade e granulometria Os solos são compostos por várias substâncias classificadas em 3 fases sólida minerais e matéria orgânica líquida água e gasosa ar Jensen 2007 As principais características observadas na assinatura espectral dos solos ocorrem devido à absorção que podem ser de origem eletrônica necessária para a mudança de nível de energia de um elétron no interior do átomo e de origem molecular vibração das moléculas que resultam no aparecimento de feições espectrais Ainda e relembrando o comportamento espectral dos solos pode ser definido por seus materiais constituintes assim como por seus arranjos e combinações sendo que os principais fatores são estabelecidos pela constituição mineral matéria orgânica granulometria textura e estrutura e pela umidade Steffen et al 1996 Os solos tropicais são constituídos principalmente pela caulinita gibbsita quartzo goethita e hematita sendo os minerais primários compostos pelas frações de areia e silte na qual se destacam os quartzos feldspatos e silicatos e os minerais secundários compostos pelas argilas minerais de argila alumínio silicatado óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio carbonatos fosfatos e sulfatos Na Figura 12 podem ser visualizadas a assinatura espectral de 3 minerais constituintes dos solos compostos pela caulinita gibbsita e montmorilonita Figura 12 Assinatura espectral de 3 minerais constituintes dos solos gibbsita montmorilonita e caulinita Fonte Adaptado de Pizarro et al 2001 26 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC A matéria orgânica presente nos solos é constituída por resíduos de plantas e animais em decomposição por substâncias derivadas da decomposição por microrganismos e por pequenos animais que habitam o solo Outro elemento encontrado nos solos é a água presente na forma livre umidade e na forma estrutural moléculas encontradas em alguns cristais Jensen 2007 Em geral a presença de água e matéria orgânia tende a provocar uma diminuição da reflectância ao longo de todas as faixas espectrais De uma maneira geral quanto maior o teor de umidade mais escuros os solos aparecerão em imagens de satélite denotando uma diminuição da reflectância em todo o espectro eletromagnético Ressaltase que a diminuição da reflectância espectral maior quanto menor for à concentração de matéria orgânica presente sendo que a diminuição na reflectância devido à umidade variará de acordo com os tipos de solos Um exemplo desta característica pode ser visualizado na Figura 13 as variações apresentadas no gráfico a partir de 22µm são originadas pelo ruído do equipamento utilizado para a obtenção das medidas Figura 13 Assinatura espectral dos solos com diferentes níveis de umidade Fonte Adaptado de Formaggio 2011 Em relação à matéria orgânica à medida que ela aumenta a reflectância espectral decai além disso uma vez que o aumento exceda 2 os efeitos passam a mascarar gradativamente as propriedades espectrais de outros constituintes do solo Epiphanio et al 1992 conforme pode ser visualizado na Figura 14 27 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC Figura 14 Assinatura espectral dos solos com diferentes níveis de matéria orgânica Fonte Adaptado de Jensen 2007 Em relação à granulometria solos de textura arenosa apresentam um aumento na reflectância à medida que aumentam as proporções de areia fina eou muito fina principalmente nos comprimentos de onda referentes ao infravermelho próximo A situação é inversa para solos de textura média a fina pois a formação de agregados estáveis em água cria uma superfície distinta da formada por grãos simples Ainda quanto menor for o tamanho das partículas menor será a reflectância espectral como ocorre por exemplo nos solos argilosos que possuem partículas pequenas Destacase que o contrário ocorre para os solos arenosos que por serem constituídos por partículas maiores apresentam uma reflectância mais alta que solos argilosos além disto estes tipos de solos apresentam baixo teor de matéria orgânica e de óxidos de ferro elementos responsáveis por diminuir a reflectância espectral em determinadas faixas do espectro eletromagnético Jensen 2007 A Figura 15 exemplifica quatro tipos de solos com granulometria variada Figura 15 Assinatura espectral dos solos com diferentes níveis de granulometria Fonte Adaptado de Formaggio 2010 28 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC A assinatura espectral dos solos podem ser classificadas em 5 tipos distintos sendo os tipos 1 a 3 propostos por Condit 1970 e os tipos 4 e 5 por Stoner e Baumgardner 1980 visualizadas na Tabela 1 sumarizadas por Novo 1998 A assinatura espectral do tipo 1 caracterizase por uma leve concavidade na região do espectro eletromagnético até 1 µm e por uma constante inclinação até 13 µm solos Podzolizado e do tipo Cambissolo O tipo 2 caracterizase por uma feição convexa que vai da região do espectro eletromagnético referente ao visível até 13 µm apresentando uma sutil inclinação entre 06 e 07 µm solos Latossolo Amarelo e Areia Quartzosa O tipo 3 apresenta acentuada inclinação ascendente com um pequeno decréscimo em 06 µm seguida por uma inclinação quase nula de 062 a 074 µm ou mesmo negativa de 076 a 088 µm possuindo inclinação crescente com o aumento do comprimento de onda solos Latossolo Una e Latossolo Vermelho Amarelo Fonte Adaptado de Novo 1998 O tipo 4 assemelhase ao tipo 3 distinguindose deste por uma inclinação decrescente de 088 a 10 µm sendo que a partir de 10 µm a inclinação é nula e mesmo negativa até 13 µm solos Latossolo Vermelho Escuro O tipo 5 também assemelhase ao tipo 3 porém apresentando inclinação que cai a zero e tornase negativa entre 075 e 13 µm solos Latossolo Roxo e Latossolo Roxo Una Ainda o comportamento espectral dos solos pode ser analisado a partir da relação dos seus constituintes e feições conforme sumarizado por Novo 1998 e visualizado na Tabela 2 Assinatura Espe ctral Região do Espectro Feição Espectral Característica do Solo 1 032 a 10 µm baixa reflectância forma cônica 2 030 a 060 µm 060 a 070 µm 070 a 075 µm 032 a 075 µm gradiente decrescente gradiente acentuado gradiente decrescente forma convexa solos drenados com pouca matéria orgânica 3 032 a 060 µm 060 a 074 µm 076 a 078 µm 088 a 10 µm gradiente acentuado gradiente pequeno gradiente decrescente gradiente aumenta solos com conteúdo de ferro razoavelmente elevado 4 032 a 23 µm 088 a 13 µm baixa reflectância redução da reflectância alto conteúdo de ferro e matéria orgânica 5 075 a 13 µm gradiente decrescente sem banda de absorção de água em 145 µm alto conteúdo de ferro e baixo conteúdo de matéria orgânica 29 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC Tabela 2 Principais características da assinatura espectral dos solos Fonte Adaptado de Novo 1998 Em relação ao estudo das propriedades físicoquímicas dos solos as principais faixas de interesse são 057 µm monitoramento de matéria orgânica em solos sem cobertura vegetal 07 e 09 µm monitoramento do composto de ferro férrico 10 µm monitoramento do composto de ferro ferroso e 22 µm monitoramento da umidade Novo 1998 43 Comportamento espectral de rochas e minerais As rochas são formadas por minerais sendo que os espectros individuais de seus constituintes decorrem basicamente a partir de bandas de absorção sendo o principal fator controlador da assinatura espectral e que caracterizam os minerais que as compõe Consequentemente os elementos e as substâncias mais importantes que determinam as bandas de absorção são os íons ferrosos e férricos a água e as hidroxilas O conhecimento do comportamento espectral das rochas é importante devido à possibilidade do estudo da composição química da superfície e da atmosfera de outros planetas além de outras aplicações em sensoriamento remoto como por exemplo a caracterização e correlação de sequências litológicas em bacias sedimentares Sunshine et al 1993 Galvão e Vitorello 1995 Como os solos são formados a partir das mudanças nas condições físicas e ambientais sofridas pelas rochas o comportamento espectral desses dois alvos tornamse semelhantes sendo que a principal característica diferencial entre estes decorre da significativa presença de matéria orgânica e água líquida nos solos que ocasionam a diminuição da reflectância em todo o EEM e que podem inclusive mascarar as feições das principais bandas de absorção provenientes dos minerais Steffen et al 1996 As rochas podem ser classificadas em 3 Componentes Região do Espectro Feição Espectral Material orgânico todo o espectro Achatamento Água estrutural 145 e 195 097 12 177 µm Banda de absorção Água livre todo o espectro Achatamento Óxido de ferro íon ferroso 10 µm Banda de absorção Óxido de ferro íon férrico 07 e 087 µm Banda de absorção Montmorilonita 14 e 19 µm Absorção no IVP e médio Goetita e Hematita 05 065 088 09 e 092 µm Feição larga e côncava Gibbsita 155 e 23 µm Harmônicas e combi nações perceptíveis no IVP Hematita 045 e 053 µm Forte absorção Caulinita 14 e 22 µm Absorção no IVP e médio Goetita 044 e 048 µm Forte absorção 30 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC tipos I ígneas II sedimentares e III metamórficas e a assinatura espectral pode ser visualizada na Figura 16 Nesta figura os valores de reflectância no eixo vertical encontramse deslocados para permitir uma melhor representação gráfica Figura 16 Assinatura espectral de diversos tipos de rochas ígneas a sedimentares b e metamórficas c Fonte Adaptado de Salisbury e Hunt 1974 As rochas ígneas são rochas primárias formadas por magmas superficiais ou do interior da Terra compostas principalmente por silício oxigênio e alumínio que não exibem feições espectrais portanto os espectros de reflectância são dominados pelos constituintes menores As rochas ígneas são classificadas em a félsicas caracterizadas por apresentarem valores superiores a 66 de dióxido de silício como o granito exibindo bandas de absorção vibracional em 14 19 e 22 μm devido à água e hidroxilas b intermediárias que possuem de 52 a 66 de dióxido de silício como os dioritos e os fonólitos apresentando feições de absorção devido ao ferro férrico e ferroso à água e à hidroxilas de alteração c máficas que possuem de 45 a 52 de dióxido de silício como o diabásio contendo feições de absorção devido ao ferro férrico e ferroso em 07 e 10μm e d ultramáficas que possuem menos de 45 de dióxido de silício como o piroxenito e o dunito possuindo grandes quantidades de minerais opacos e ricos em ferro produzindo bandas ferrosas em 07 10 e 20 μm Ainda a presença de minerais opacos como a magnetita diminui a reflectância no intervalo espectral de 04 a 25 μm e produzem bandas de absorção bem definidas podendo inclusive mascarar as feições de absorção provenientes de outros minerais Galvao 1994 Jensen 2007 31 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC As rochas sedimentares são derivadas de rochas préexistentes e que passaram por processos de intemperismo e erosão apresentando bandas de absorção bem definidas devido aos óxidos de ferro minerais de argila e de carbonatos podendo ser mascaradas por material opaco carbonoso As maiores reflectâncias espectrais são observadas em rochas arenosas com sais minerais transparentes ou menores quantidade de substâncias opacas Ainda os arenitos geralmente possuem grãos de quartzo com coberturas de óxidos de ferro apresentando bandas de absorção em 087µm os calcários apresentam bandas de absorção em 19 e especialmente em 23 µm e os folhelhos carbonosos não apresentam feições bem definidas Galvao 1994 Jensen 2007 As rochas metamórficas decorrem da transformação de rochas existentes sendo que a assinatura espectral depende da constituição da rocha original e das transformações mineralógicas sofridas apresentando bandas de absorção bem definidas devido à presença de carbonatos hidroxilas íons de ferro e cromo e substâncias opacas Galvao 1994 Jensen 2007 As principais bandas de absorção observadas na região do visível e do infravermelho do espectro eletromagnético decorrem de interações microscópicas em nível atômico e molecular As transições atômicas são formadas por processos eletrônicos e dominam a região do espectro eletromagnético referente ao visível e infravermelho próximo 04 a 11 µm As transições moleculares são formadas por processos vibracionais e ocorrem predominantemente na região do infravermelho médio do EEM 10 a 25 µm Ainda é possível constatar nas rochas efeitos de refração difração e espalhamento devido às interações macroscópicas em tais casos a análise dos efeitos dessas interações decorre do conhecimento das propriedades óticas grau de transparência dos objetos e físicas do material tamanho forma e rugosidade Além disso a compactação dos materiais tende a aumentar a curva de reflectância na região do visível ocorrendo o inverso na faixa do infravermelho Steffen et al 1996 O comportamento espectral de minerais rochas e solos no infravermelho termal é controlado basicamente pelo conteúdo de água e a quantidade de sílica A composição e a estrutura dos materiais juntamente com a disponibilidade do mineral absorvedor irão controlar a posição a forma e a intensidade das bandas de absorção Na Figura 17 podese visualizar a assinatura espectral dos minerais sendo que dentre os elementos presentes nas rochas os mais comuns são o oxigênio o silício e o alumínio que não possuem níveis de energia favoráveis às transições para gerar feições espectrais na região do visível e infravermelho próximo do espectro eletromagnético até 12 µm fazendo com que as assinaturas espectrais sejam dominadas pela estrutura cristalina e por íons menos comuns como ferro e cobre Ainda nas rochas podem ser encontrados outros elementos com proporções variadas de magnésio cálcio e potássio Galvão 1994 De uma maneira geral existem alguns fatores que influenciam na reflectância das rochas dentre eles podese citar as misturas minerais podendo ser lineares quando diferentes materiais são discriminados no FOV gerando um sinal proveniente da soma da área fracional multiplicado pelo espectro de cada componente nãolineares diferentes materiais em contato na superfície de espalhamento gerando uma combinação não linear dos espectros de reflectância coatings quando um material cobre outro e molecular que incluía a água absorvida em um mineral Galvão 1994 Segundo Novo 1998 a região do espectro eletromagnético entre 08 a 10 μm é propícia ao estudo referente à identificação de ferro entre 217 e 22 μm para a identificação de minerais de argila em 16μm para a identificação de zonas de alteração hidrotermal ricas em argilas e em 274 μm para a detecção de minerais com presença de hidroxilas em sua estrutura 32 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC Figura 17 Assinatura espectral de diversos minerais presentes nas rochas Fonte Adaptado de Galvão 2010 44 Comportamento espectral da água O comportamento espectral da água é bem diferente dos demais constituintes da superfície terrestre devido principalmente à intensidade do fluxo radiante que é refletido Em corpos dágua existem diferenças em relação às componentes radiativas pois embora o fluxo radiante refletido pela água apresente baixa intensidade a radiação que atinge o sensor possui componentes provenientes do espalhamento da radiação eletromagnética na atmosfera da reflexão especular da radiação solar direta e difusa e do fluxo de radiação emergente da água Rudorff 2006 Ainda a interpretação dos dados se torna mais complexa pois a região de maior penetração da luz na água apresenta interferência atmosférica além de apresentar uma alta e variável transmitância devido às diferenças na profundidade e de apresentar componentes opticamente ativos que possuem espectros semelhantes Novo 2001 Os componentes opticamente ativos COA são componentes microscópicos do sistema aquático que interagem com a radiação eletromagnética produzindo diferentes respostas de absorção e espalhamento 33 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC devido principalmente às suas propriedades físicoquímicas e biológicas encontrandose em suspensão ou dissolvidos na água Além disso no estudo do comportamento espectral da água devem ser consideradas as propriedades ópticas inerentes e aparentes As propriedades ópticas inerentes dependem apenas do conteúdo da água coeficiente de absorção e coeficiente de espalhamento ou seja são intrínsecas do objeto permanecendo inalteradas em função da intensidade e geometria de iluminação e da geometria do sensoralvofonte dependendo apenas do conteúdo dos componentes dissolvidos e em suspensão Novo 2001 Jensen 2007 As propriedades ópticas aparentes compreendem o coeficiente de atenuação difusa a reflectância de subsuperfície e a reflectância medida pelo sensor dependendo da direção do fluxo de energia no ângulo de elevação solar e da refração causada pelas ondas na superfície da água Barbosa 2005 A água apresentase na natureza em 3 estados físicos sólido líquido e gasoso os quais apresentam comportamento espectral distintos De uma maneira geral a assinatura espectral da água líquida apresenta baixa reflectância na região do espectro eletromagnético entre 038 e 07 μm menos que 10 e máxima absorção acima de 07 μm a água sólida apresenta reflectância em diversos comprimentos de onda apresentando alta reflectância entre 07 e 12 μm 80 e atenuando a parir de 14 μm menor que 20 e a água gasosa exibe alta reflectância em todo o espectro eletromagnético 70 apresentando bandas de absorção em 10 13 e 20 μm Novo 1998 A assinatura espectral da água decorre dos processos de absorção e espalhamento em seu interior extraindose dessa forma informações sobre suas características físicoquímicas e biológicas Neste caso os principais elementos responsáveis pelos processos de absorção e espalhamento são o fitoplâncton a matéria orgânica dissolvida e o total de sólidos em suspensão TSS que compõe os sedimentos orgânicos e inorgânicos em suspensão e determinarão as propriedades ópticas inerentes da água Mantovani 1993 O fitoplâncton é o responsável pela absorção da energia solar no meio aquático para a produção da fotossíntese nestes a concentração e o tipo de pigmentos clorofilaa clorofilab clorofilac carotenóides ou biliproteinas irão afetar o comportamento espectral da água ocasionando feições de absorção na faixa do visível Ainda o aumento na concentração de pigmentos acarreta em uma diminuição constante da energia eletromagnética refletida pela água um deslocamento do máximo de reflectância da região do azul para o verde e um aumento de energia refletida na região de 068 μm devido à fluorescência causada pela clorofilaa Novo 2001 Jensen 2007 conforme Figura 18 Figura 18 Assinatura espectral de de diversas concentrações de clorofilaa Fonte Adaptado de Novo 2011 34 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC A matéria orgânica apresenta proteínas aminoácidos ácidos graxos resinas e compostos húmicos este último originado principalmente da decomposição de organismos vivos terrestres ou aquáticos principalmente o fitoplâncton durante a sua senescência provocando o aparecimento do carbono orgânico dissolvido na água Quando há a presença de matéria orgânica dissolvida na água ocorre uma interferência no coeficiente de absorção do fluxo radiante alterando a cor da água pura Este aumento da concentração irá acarretar em uma diminuição da reflectância pelo sistema aquático principalmente nos comprimentos de onda menores azul e verde onde o coeficiente de absorção pela matéria orgânica é mais elevado como pode ser visualizado na Figura 19 Conforme a concentração de matéria orgânica na água for aumentando a cor da água vai apresentando diferentes nuances tendendo a ter uma coloração amarelada passando para o vermelhomarrom e quando a concentração for muito elevada adquirindo aparência negra Novo 2001 Jensen 2007 Figura 19 Coeficiente de absorção da matéria orgânica dissolvida Fonte Adaptado de Novo 2011 Os sedimentos orgânicos em suspensão estão relacionados com a cor da água uma vez que sua alteração decorre da forte absorção da radiação eletromagnética na região do visível do espectro eletromagnético principalmente na região do azul apresentando uma curva de absorção semelhante à da matéria orgânica dissolvida devido à sobreposição de várias bandas de absorção apresentando valores altos na região do ultravioleta e azul decrescendo até o verde e apresentado valores baixos na região do vermelho O material inorgânico particulado em suspensão originase de minerais provenientes de rochas e solos que são carregados para os corpos dágua e o aumento na concentração produz como principal efeito o aumento do coeficiente de espalhamento do sistema aquático além de originar o deslocamento do pico máximo de reflectância da água em direção a comprimentos de onda mais longos ampliação da região espectral em que ocorre o máximo entre 05 e 07 μm e aumento da reflectância na região do infravermelho Novo 2001 Jensen 2007 conforme Figura 20 35 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC Figura 20 Assinatura espectral de diferentes concentrações de matéria inorgânica em suspensão com sedimento argiloso Fonte Adaptado de Novo 2011 De uma maneira geral na água pura o espalhamento da radiação eletromagnética é determinado pela matéria orgânica e inorgânica em suspensão que resulta no deslocamento da reflectância para a região espectral referente ao vermelho Ainda a absorção da radiação eletromagnética é influenciada pela matéria orgânica dissolvida que desloca o máximo de reflectância espectral para a região do verdeamarelo sendo que o comportamento espectral da água pura é determinado pela menor absorção entre 04 e 06 μm aumentando na região do infravermelho próximo e pelo máximo espalhamento na região referente ao azul se anulando exponencialmente em direção ao vermelho Novo 2001 Barbosa 2005 45 Comportamento espectral de superfícies artificiais urbanas A importância e necessidade da medição da reflectância espectral das superfícies naturais ou artificiais podem ser justificadas pela necessidade de ampliar o entendimento da relação entre a reflectância espectral e os mais variados tipos de superfícies artificiais Milton 1987 Estes tipos de superfícies são compostas por diversas aglomerações de materiais como por exemplo concreto asfalto telhados metal plástico 36 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC vidros água gramas organizados pelos humanos de uma forma complexa na construção de casas sistemas de transportes indústrias comércio e paisagens de recreação Small 2004 Devido a essa complexidade o estudo acerca do comportamento espectral das superfícies construídas deve levar em consideração as características temporais espaciais e espectrais dos atributos urbanos Em relação à resolução temporal devem ser levados em consideração algumas questões como o progresso da área urbana e do subúrbio identificado como ciclo de desenvolvimento que inclui em um determinado espaço de tempo mudanças na parcela do solo na subdivisão da terra estradas construções e paisagismo Nestes casos analista das imagens deve entender o desenvolvimento temporal para evitar erros de interpretação a coleta dos dados pois informações atuais são imprescindíveis para as aplicações urbanas e a necessidade de certos tipos de informação como por exemplo a estimativa populacional que pode ser necessária em diversas épocas Jensen 2007 Para a resolução espectral muitos autores concordam que no estudo de áreas urbanas esse tipo de resolução não é tão importante quanto à resolução espacial como por exemplo na estimativa populacional baseada em unidades residenciais requerendo para isso imagens com no mínimo 5 metros de resolução espacial à medida que qualquer banda na região do visível ou infravermelho do espectro eletromagnético é o suficiente para a análise ser realizada ainda que seja notável o grande contraste existente entre o objeto de interesse e seus arredores na ordem de detectar distinguir e identificar os mesmos Jensen 2007 Ainda em relação à resolução espectral podese salientar algumas faixas espectrais que são úteis na extração de certos tipos de informações urbanas e para o estudo do uso e cobertura da terra como por exemplo a região do visível infravermelho próximo e médio e pancromática A banda pancromática em tons de cinza ou colorida comumente é utilizada para extrair perímetros urbanos e informação sobre áreas e alturas o infravermelho termal para obter a medida da temperatura da superfície imagens de microondas para áreas urbanas encobertas por nuvens entre outros Jensen e Hodgson 2004 Desta forma outras aplicações urbanas também podem ser conduzidas a partir da utilização de imagens de sensores hiperespectrais estimando a reflectância dos materiais urbanos Herold et al 2004 Em relação à resolução espacial muitos analistas podem depender das cores para extrair informações sobre as áreas urbanas porém os elementos geométricos da imagem como a forma do objeto tamanho textura orientação padrão e sombra são úteis para este fim Ainda quando maior a resolução espacial mais detalhes podem ser extraídos do ambiente urbano A Figura 21 mostra as curvas de reflectância em dos materiais mais comuns encontrados nos ambientes urbanos 37 RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC Figura 21 Assinatura espectral dos materiais mais comuns encontrados em ambientes urbanos Fonte Adaptado de Jensen 2007 A cobertura da terra em áreas urbanas aparece tipicamente na coloração cinzaaço nas imagens devido ao terreno urbano que consiste basicamente de concreto e ruas asfaltadas parques matagais e solos expostos que refletem grande parte do fluxo radiante incidente nas regiões do verde vermelho e infravermelho próximo do espectro eletromagnético Esta coloração acinzentada contrasta com as superfícies vegetadas que aparecem em vermelho ou verde dependendo da composição entre as bandas utilizada e com corpos dágua que absorvem a maior parte do fluxo radiante incidente aparecendo desta forma em cor negra nas composições coloridas do tipo cor verdadeira sendo facilmente distinguidas das áreas urbanas 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS O objetivo desse material foi apresentar as principais definições associadas ao comportamento espectral de alvos Nesse sentido o texto apresentou os fundamentos físicos e experimentais básicos De forma sucinta discutiu o comportamento espectral geral de alguns alvos tipicamente encontrados nas imagens e estudos de sensoriamento remoto 38 BARBOSA C C F Sensoriamento remoto da dinâmica da circulação da água do sistema planície de Curuairio Amazonas Tese doutorado em Sensoriamento Remoto Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais São José dos Campos 282 p 2005 CARDOSO P C S PONZONI F J Caracterização espectral de folhas extraídas de cin co diferentes espécies vegetais In Anais do VIII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto Salvador Brasil p 891 896 1996 CONDIT H R The spectral reflectance of American soils Photogramm Eng v 36 8 p 955 966 1970 EPIPHANIO J C N FORMAGGIO A R VALERIANO M M OLIVEIRA J B Comportamento espectral de solos do Estado de São Paulo São José dos Campos 133 p 1992 FORMAGGIO A R Notas de aula da disciplina de Sensoriamento Remoto Agrícola mi nistrada no curso de pósgraduação em Sensoriamento Remoto do INPE 2010 GALVÃO L S Litoestratigrafia da reflectância espectral e uma abordagem quanti tativa para a análise de espectros Tese doutorado em Geofísica Universidade de São Paulo Instituto Astronômico e Geofísico São Paulo 179 p 1994 GALVÃO L S VITORELLO I Quantitative approach in the spectral reflectance lithostratigraphy of the Wind river and southern Bighorn basins Wyoming International Journal of Remote Sensing 16 9 p 1617 1631 1995 GALVÃO L S Notas de aula da disciplina de Sensoriamento Remoto Hiperespectral ministrada no curso de pósgraduação em Sensoriamento Remoto do INPE 2010 GALVÃO L S EPIPHANIO J C N BREUNIG F M FORMAGGIO A R Crop Type Discrimination Using Hyperspectral Data In A Prasad S Thenkabail US Geo logical Survey Arizona USA John G Lyon Clifton Virginia USA Alfredo Huete Uni versity of Technology Sydney Ed Hyperspectral Remote Sensing of Vegetation 1st ed Boca Raton CRC Press p397421 2011 GOLTZ E Avaliação do produto MOD09 reflectância da superfície fornecido pelo sen sor MODISTerra através de radiometria de campo em uma área de soja Dissertação Mestrado em Sensoriamento Remoto Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais São José dos Campos 133 p 2005 HEROLD M ROBERTS DA GARDNER ME DENNISON PE Spectrometry for urban area remote sensing development and analysis of a spectral library from 350 to 2400 nm Remote Sensing of Environment v 91 p 304319 2004 HU C MULLERKARGER F E ANDREFOUET S CARDER K L Atmospheric correction and crosscalibration of LANDSAT7ETM imagery over aquatic enviro ments a multiplatform approach using SeaWiFSMODIS Remote Sensing of Environ ment v78 n12 p99107 2001 JENSEN JR Remote Sensing of the Environment An Earth Resource Perspective BIBLIOGRAFIA RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC 39 Upper Saddle River PrenticeHall 592 p 2007 JENSEN JR HODGSON M E Remote Sensing of Selected Biophysical Variables and UrbanSuburban Phenomenon In Geography and Technology Stanley D Brunn Su san L Cutter and J W Harrington Jr Eds Dordrecht Kluwer Publishers p 109154 2004 MANTOVANI J E Comportamento espectral da água faixas espectrais de maior sensibilidade ao fitoplâncton na presença de matéria orgânica dissolvida e matéria inorgânica particulada Dissertação Mestrado em Sensoriamento Remoto Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais São José dos Campos 119 p 1993 MAUGER AJ Comparison of various remote sensing and spectral radiometer instru ments MESA Journal 4 p 2003 MILTON EJ Principles of field spectroscopy International Journal of Remote Sens ing v 8 p 18071827 1987 MORAES E C NOGUEIRA J L M ESPOSITO E S C BASTOS E J B FREIRE M L F Comparação entre placas de referência de sulfato de bário pintada e prensada In Anais do VIII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto Salvador Brasil p 927 931 1996 MOREIRA M A Fundamentos do Sensoriamento Remoto e metodologias de aplica ção Viçosa Editora da UFV 2005 307p NOVO EMLM Sensoriamento Remoto princípios e aplicações São Paulo Edgard Blücher 1989 308p NOVO E M L M Comportamento espectral da água In MENESES P R MADEI RA NETTO J S org Sensoriamento remoto reflectância dos alvos naturais Brasília UNB EMBRAPA Cerrados p 203 222 2001 NOVO E M L M Notas de aula da disciplina de Comportamento Espectral dos Alvos ministrada no curso de pósgraduação em Sensoriamento Remoto do INPE 2010 PIZARRO M A EPIPHANIO J C N GALVÃO L S Caracterização mineralógica de solos tropicais por sensoriamento remoto hiperespectral Pesquisa Agropecuária Brasileira v 36 p 12771286 2001 PONZONI F J DISPERATI A A Comportamento Espectral da Vegetação São José dos Campos 26 p 1995 PONZONI F J SHIMABUKURO Y E Sensoriamento remoto aplicado ao estudo da vegetação 1 ed São José dos Campos Parêntese 2007 v 1 135 p RUDORFF C M Estudo da composição das águas da planície Amazônica por meio de dados de reflectância do sensor HyperionEO1 e de espectrômetro de campo visando à compreensão da variação temporal dos seus constituintes opticamente ati BIBLIOGRAFIA RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC 40 vos Dissertação Mestrado em Sensoriamento Remoto Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais São José dos Campos 140 p 2006 RÖDER A KUEMMERLE T HILL J Extension of retrospective datasets using mul tiple sensors An approach to radiometric intercalibration of LANDSAT TM and MSS data Remote Sensing of Environment v95 n2 p195210 2005 SALISBURY J W HUNT G R Remote sensing of rock type in the visible and near infrared Proceedings of the 9th International Symposium of the Remote Sensing En vironmental ERIM VIII p 19531958 1974 SCHAEPMANSTRUB G SCHAEPMAN M E PAINTER T H DANGEL S MARTONCHIK J V Reflectance quantities in optical remote sensing definitions and case studies Remote Sensing of Environment 103 p 2742 2006 SMALL C The Landsat ETM Spectral Mixing Space Remote Sensing of Environ ment n 93 p 117 2004 STEFFEN C A MORAES E C GAMA F F Radiometria Óptica Espectral In Anais do VIII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto Salvador Brasil p 126 1996 STONER E R BAUMGARDNER M F Physicochemical site and bidirectional re flectance factor characteristics of uniformly moist soils West Lafayette Purdue Uni versity 1980 SUNSHINE J M MUSTARDS J F PIETERS C M Deconvolving overlapping ab sorption features to extract compositional information from reflectance spectra In The matic Conference on Geologic Remote Sensing 9 Pasadena CA Proceedings Pasa dena CA v 1 p 151 155 1993 TEILLET P M A status overview of earth observation calibrationvalidation for terres trial applications Canadian Journal of Remote Sensing v 23 n 4 p 291298 1997 THOME K J Absolute radiometric calibration of LANDSAT7 ETM using the reflec tancebased method Remote Sensing of Environment v 78 n12 p2738 2001 VERMOTE E F SALEOUS N Z E JUSTICE C O Atmospheric correction of MO DIS data in the visible to middle infrared first results Remote Sensing of Environment v83 n12 p97111 2002 VERMOTE E F TANRE D DEUZE J L HERMAN M MORCRETTE J J Sec ond Simulation of the satellite signal in the solar spectrum 6S An overview IEEE Trans Geosc And Remote Sens n 35 p 675686 1997 BIBLIOGRAFIA RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC 41 ATIVIDADES RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC ATIVIDADE 01 ATIVIDADE 02 1 Qual a natureza da radiação eletromagnética 2 Em um determinado experimento o fluxo radiante sobre uma superfície corresponde a 2500W o fluxo absorvido a 1250W e o fluxo refletido a 450W Perguntase a Qual é a transmitância reflectância e absortância desta superfície b Qual a quantidade de energia absorvida pela superfície em 30 minutos 3 Quando o Sol está no zênite a radiância espectral de uma superfície Lambertiana é de 47 Wm2sr1nm1 em 540nm Se a reflectância espectral dessa superfície nesse comprimento de onda é 03 perguntase a Qual a irradiância na superfície quando o ângulo zenital é 15º b Qual a radiância espectral dessa superfície quando o ângulo de elevação solar é 25º 4 Qual o valor da radiância espectral de uma superfície lambertiana de reflectância igual a 02 em 700nm quando iluminada por uma fonte capaz de produzir na superfície uma irradiância espectral de 20 Wm2nm1 5 Explique a relação entre os fluxos incidente absorvido refletido e transmitido 4 Qual a importância de uma superfície perfeitamente lambertiana lambertiana ideal para as medidas de fator de reflectância A reflectância espectral de um objeto é igual em todas as direções Explique 1 Explique suscintamente os principais procedimentos que devem ser adotados para a extração de grandezas radiométricas em campo laboratório 2 Para um experimento de campo que será realizado na Floresta Amazônica 4 pesquisadores resolveram levar dois espectrorradiômetros portáteis juntamente com duas placas lambertianas ideais utilizadas especificamente para trabalhos de campo Neste campo os pesquisadores analisaram simultaneamente o comportamento espectral de árvores a partir de uma torre disponível no local e de corpos dágua Perguntase a Ambos os equipamentos precisam ser iguais Justifique b Quais os procedimentos que devem ser adotados para que as medidas extraídas possam ser utilizadas pela comunidade científica c Quais instrumentos e equipamentos adicionais você sugeriria a eles 3 Comente sobre a influência atmosférica nas medias radiométricas 4 Explique por que o céu é azul e não violeta 42 ATIVIDADES RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC ATIVIDADE 03 1 Um pesquisador realizou um experimento em laboratório para verificar a resposta espectral de uma espécie genérica de grama após passar por um grande stress hídrico como assinalado em a No mesmo experimento o pesquisador resolveu analisar a amostra de grama sadia em campo e descobriu uma grande diferença nos dois espectros como mostra a figura b Sabendo que você teve aulas de comportamento espectral dos alvos o mesmo perguntaa a Quais as principais diferenças encontradas em laboratório entre a Grama Sadia e a Grama Seca b Por que há uma variação acentuada na faixa do visível e do infravermelho próximo e médio do espectro eletromagnético para as amostras em a c Sabendo que o espectro visível ao olho humano abrange os comprimentos de onda de 04 a 07 µm que cor teria as duas amostras de grama para o ser humano Justifique d Por que há uma diferença entre as amostras de grama sadia coletada em campo e medida em laboratório 2 Uma empresa está precisando de um consultor para indicar qual produto é o melhor para mapear os minerais presentes no solo assim como diferenciar a assinatura espectral de diferentes solos Para a análise você recebeu 3 espectros de reflectância abaixo obtidos por sensores com diferentes resoluções espectrais Em a TMLandsat 5 com 6 bandas no espectro solar com largura entre 65 e 250 nm b MODISTERRA com 20 bandas com largura entre 10 e 50 nm e c Fieldspec Pro com 420 bandas com 43 largura entre 2 e 10 nm Uma vantagem dos sensores TMLANDSAT 5 e MODIS TERRA é a disponibilidade de imagens de qualquer área gratuitamente enquanto que análises em laboratório requerem idas à campo e análises em laboratório Ponderando as características de cada sensor qual deles você indicaria para mapear os componentes minerais e diferenciar os tipos de solo Justifique 3 Na universidade o professor o selecionou para realizar estudos espectrais de solos A primeira etapa do trabalho compreende um plano de estudo para analisar os níveis de coleta de dados usados no sensoriamento remoto satélite aeronave campo e laboratório e suas relações entre fonte x alvo x sensor Discorra sobre os fatores envolvidos para cada nível vantagens e desvantagens em relação aos estudos espectrais de solos ATIVIDADES RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC 44 ATIVIDADES RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC ATIVIDADE 04 1 Uma empresa de mineração decidiu contratálo como especialista na área de comportamento espectral de rochas e minerais Entre as novas propostas de mapeamento está a utilização de dados hiperespectrais no mapeamento geológico de determinadas áreas Entretanto a primeira ação da empresa consiste na análise de duas áreas de estudos I Estado do Pará composta predominantemente por rochas ricas em óxido de ferro Goethita e com a presença de Calcita alta concentração de cálcio e II Minas Gerais composta predominantemente por rochas ricas em alumínio Alunita e um argilomineral de alumínio hidratado denominado Caulinita A figura abaixo representa o espectro de reflectância dos materiais obtidos em laboratório que compõem as áreas de estudo Com base nas informações responda a Quais as faixas espectrais recomendadas para o estudo de cada material óxido de ferro cálcio alumínio com dados hiperespectrais obtidos por satélites ambientais Justifique b Qual a importância das bandas de absorção em 14µm e 19µm no processo de mapeamento geológico derivados de imagens hiperespectrais Justifique 45 ATIVIDADES RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC 2 A figura abaixo corresponde ao resultado de um estudo do comportamento espectral nas águas do lago grande de Curuai Pará realizado por pesquisadores de distintos centros de pesquisa Com base nos seus conhecimentos teóricos sobre os elementos que influenciam na resposta espectral da água explique a A baixa reflectância entre 400 nm e 500 nm b A alta reflectância entre 550 nm e 720 nm c O pico de reflectância em 700 nm d Que fatores poderiam explicar as diferenças de reflectância entre as amostras A B e C e Sabendo que o espectro visível ao olho humano abrange os comprimentos de onda de 400 nm a 700 nm que cor teria as amostras A B e C para o ser humano Justifique Fonte Arraut et al 2005 3 Podese notar que a temperatura do ar na cidade é mais elevada que em ambientes rurais e vegetados a sua volta Esta característica origina o fenômeno de ilhas de calor constituindo em um dos mais claros e documentados exemplos de mudança climática Com base na figura abaixo explique a As principais diferenças no comportamento espectral do asfalto concreto e vegetação b Uma vez que a transmitância em superfícies como o concreto e asfalto pode ser desprezível com base na relação entre os fluxos incidente absorvido refletido e transmitido explique por que superfícies vegetadas apresentam uma temperatura menor que áreas com asfalto e concreto 46 ATIVIDADES RESPOSTA ESPECTRAL DE ALVOS GEOTEC