Trabalho de Comportamento Espectral

Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Mato Grosso

Campus - ConfresaBacharelado em Agronomia

Disciplina

GEOPROCESSAMENTOProfessor

Felipe Acadêmicos

Henrique Amarinho,Ibernon Lopes,Luis Henrique Iora,Noemy Arruda,Pedro Paulo Cardoso

Confresa – MT, 26 de março de 2013

COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS

SOLOS,MINERAIS E ROCHAS

SENSORIAMENTO REMOTO

Definição

“É a ciência ou a arte de se obterem informações sobre um objeto, área ou fenômeno, através de dados coletados por aparelhos denominados sensores, que não entram em contato direto com os alvo (Crepani, 1983)”.

COMPORTAMENTO ESPECTRALDE ALVOS

É o estudo da Reflectância espectral de alvos (objetos) como a vegetação, solos, minerais, rochas e água;

É o estudo da interação da REM com as substâncias da superfície terrestre.

ASSINATURA ESPECTRAL

Intensidade relativa com que cada corpo reflete ou emite a radiação eletromagnética nos diversos comprimentos de onda;

Curvas de reflectância x comprimento de onda.

ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO

ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO< 0.003 nm -Raios Gama:Origem nuclear, alto poder de penetração;

0,003 -100nm -Raios X:Altamente penetrante, origem atômica;

100 -400nm -Ultravioleta:Atenuação pela atmosfera (dificulta seu uso -poluição marinha e detecção de minerais;

400 -760nm -Luz visível:Sensação de visão ao olho humano;

760 -3.000nm -Infravermelho:absorvido pela maioria das substâncias produzindo aquecimento, minerais de argila e radicais OH;

3.000 -15.000nm -Infravermelho térmico;

15.000nm -0.1 cm -Infravermelho distante;

0.1cm -30 cm -Microondas:Radar, pouca atenuação da atmosfera;

> 30cm -Ondas de Rádio:comunicação, longas distâncias (↑ f; ↓ λ).

PRINCÍPIOS DO SENSORIAMENTO REMOTO

Luz Visível - 400nm -760 nm;

Violeta- 400-460 nm;

Anil- 460-475 nm;

Azul- 475-490 nm;

Verde- 490-565 nm;

Amarelo- 565-575 nm;

Laranja- 575-600 nm;

Vermelho- 600 -760 nm;

COMPORTAMENTO ESPECTRAL DO SOLO

O solo tem seu comportamento espectral influenciado por diversos fatores, sendo os mais importantes:

I. Umidade;

II. Teor de matéria orgânica;

III. Textura;

IV. Cor;

V. Teor de óxidos de ferro;

VI. CTC;

VII. Condições de superfície.

DETECÇÃO DE COMPONENTES DOS SOLOS

Identificação de alguns dos componentes e de algumas de suas características físicas;

Obtenção de informações importantes, quanto à ocorrência e à abundância de minerais, úteis a estudos pedológicos de naturezas diversas;

Caráter não-destrutivo, rapidez e possibilidade de obtenção dos dados de reflectância à distância;

Obtenção de dados por espectro-imageadores que, cobrindo grandes superfícies, permitem a compreensão das co-variações de alguns dos componentes dos solos com outros elementos definidores da paisagem;

Argilominerais (caulinita e montmorilonita)

Óxidos de alumínio e de ferro

Minerais calcita e gibbsita

Matéria orgânica

Água

Principais componentes do solo com influência na reflectância

COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS SOLOS

Experiência prática - Correlação da ocorrência de componentes como a matéria orgânica e óxidos de ferro

“A reflectância do solo, em todos os comprimentos da faixa do espectro óptico, é uma propriedade cumulativa que deriva do comportamento espectral dos

constituintes minerais, orgânicos e fluidos que combinados, compõem os solos”

Outros fatores importantes nas propriedades de reflectância dos solos: Tamanho e organização das partículas

Espectrorradiometria de reflectância - Ferramenta importante para a identificação dos componentes dos solos em campo, em

laboratório ou por meio da análise espectral de sensores remotos.

A ESPECTRORRADIOMETRIA DE REFLECTÂNCIA NO ESTUDO DOS SOLOS

Desenvolvimento do sensoriamento remoto

Interesse pelo estudo das propriedades de reflectância dos solos (composição mineral e orgânica e propriedades estruturais e texturais)

Fundamentos de interpretação de imagens obtidos em estudos espectrorradiométricos de campo ou em laboratório

Aplicação da espectrorradiometria de

reflectância no estudo dos solos é relativamente recente (Década de 60)

Baumgardner & Stoner (1982); Baumgardner et al. (1985), Myers (1983)

e Mulders (1987)

PADRÕES DE ESPECTROS DE REFLECTÂNCIA DOS SOLOS

Medidas de reflectância de solos (60’s) - Padrões de curvas espectrais de acordo com os constituintes dos solos (Obukhov & Orlov, 1964; Condit, 1970 e 1972; Baumgardner,

1981) a) Alto teor de matéria orgânica e textura argilosa - (espectro a) - As características dos espectros são dominadas pela matéria orgânica; baixo albedo e forma convexa no intervalo de 500 a 1300 nm;

b) Teores baixos em matéria orgânica e em óxido de ferro - (espectro b) - Albedos altos e forma côncava no intervalo de 500 a 1300 nm;

c) Teores baixos em matéria orgânica e médio em óxido de ferro - (espectro c) - As características dos espectros são influenciadas pelos óxidos de ferro;

d) Teor alto de matéria orgânica e arenosos - (espectro d) - As características dos espectros são influenciadas pela matéria orgânica, apresentando no intervalo de 500 a 1300 nm um segmento côncavo (500 a 700 nm) e outro convexo (750 a 1300 nm);

e) Teor alto de óxidos de ferro e textura argilosa - (espectro e) - As características dos espectros são dominadas pelos óxidos de ferro, com a particularidade de apresentar albedos muito baixos e valores de reflectância decrescentes para os comprimentos de onda superiores a 750 nm.

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

TRABALHOS DE ESPECTRORRADIOMETRIA DESENVOLVIDOS NO BRASIL

Contribuição para a elucidação das peculiaridades de reflectância dos solos

tropicais

Formaggio, 1983; Epiphanio et al., 1987; Epiphanio et al., 1992; Formaggio & Epiphanio, 1988; Madeira Netto, 1991; Madeira Netto et al., 1990, 1991, 1992, 1993, 1995; Stoner et

al., 1991; Valeriano et al., 1995

Epiphanio et al., 1992 - Mais abrangente - Obtenção de 111 espectros e dados físico-químicos de amostras de 53 perfis de 14 classes de solos do Estado de São Paulo.

Valeriano et al., 1995 - Verificação se os espectros de reflectância definiam padrões típicos - Análise de acordo com a forma, o albedo, as feições de absorção e a presença de inflexões no visível, agrupando os espectros em quatro classes gerais.

Constatou-se a não ocorrência de uma relação biunívoca entre as classes de solos e os tipos de espectros de reflectância, ou seja, para cada um dos tipos de espectros, relacionam-se diferentes classes de solo, e solos pertencentes a uma mesma classe podem apresentar diferentes tipos de espectros.

Madeira Netto et al. (1993) - Realização de medidas espectrorradiométricas em 56 amostras de latossolos e solos hidromórficos - Identificação de três classes gerais de espectros (minerais responsáveis pelas feições características)

Solos praticamente desprovidos de óxidos de ferro - Característica principal a forma convexa no intervalo espectral de 400 a 1300 nm;

Solos ricos em óxidos de ferro - Banda intensa e larga centrada em 950 nm, uma centrada em 650 nm e outra entre 450 e 530 nm;

Solos ricos em minerais opacos como a magnetita e a ilmenita - Forma relativamente plana além dos comprimentos de 750 nm e o baixo albedo;

Obs.:1) Os espectros do tipo A e B apresentam ainda as feições características da caulinita, centrada em 2200 nm e/ou gibbsita centrada em 2235nm.

Obs.:2) Embora as amostras que exibem as características do espectro “C” apresentem altos teores de óxido de ferro (hematita e/ou goetita), as feições desses minerais são atenuadas pelas absorções da magnetita.

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

COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS

O aspecto mais complexo no estudo e compreensão do comportamento

espectral do solo, é que em laboratório nós podemos isolar esses

componentes, e estudar seu efeito sobre a resposta espectral do solo.

Mas na natureza, esses componentes encontram-se inexoravelmente

relacionados, reforçando o efeito sobre o outro, outras vezes,

anulando. Via de regra, entretanto, de modo idealizado, podemos dizer

que a reflectância do solo aumenta monotonicamente com o

comprimento de onda.

Para solos com a mesma composição mineralógica, a tendência é a

redução da reflectância com o aumento do tamanho das partículas.

COMPORTAMENTO ESPECTRAL

Teor de umidade,Textura e estrutura

VisívelI.V.P.I.V.M.

Ex: solo arenosoestrut. fraca, superfície lisa,

alto teor de umidade,baixa reflectância

Matéria orgânica VisívelI.V.P.

Teores altos provocamredução da reflectância

do solo

Óxido de Ferro Visível(0,5 - 0,7 μm)

Reflete luz vermelhaAbsorve luz verde

(localização de jazidas)

Obs: a maior parte da energia incidente sobre o solo é refletida ou absorvida e uma pequena quantidade é transmitida.

COMPORTAMENTO ESPECTRALFA

TO

R D

E R

EF

LE

CT

ÂN

CIA

ÁGUA O efeito da água na reflectância do solo causa a ocorrência de bandas de absorção centradas em 760 nm, 970 nm, 1190 nm, 1450 nm e 1940 nm e provoca decréscimo geral da reflectância em todos os comprimentos de onda; Angstron (1925) - filmes de água - aumento das reflexões internas - maior porção de energia permanece no solo - diminuições de reflexão proporcionais ao aumento da umidade ;

Para solos com fortes bandas de absorção no visível (latossolos), os efeitos da umidade são dependentes do comprimento de onda e da posição e intensidade das feições espectrais da fase sólida dos solos; Pode-se estimar o conteúdo de umidade dos solos, medindo a intensidade das bandas de absorção da água. Utiliza-se a feição centrada a 1450 nm (mais sensível) havendo relação linear entre a intensidade dessa banda de absorção e o teor de água no solo; Quanto mais profunda a banda de absorção, maior é o teor de água presente;

ELEMENTOS QUE ATUAM NA INTENSIDADE DA CURVA ESPECTRAL

As faixas de absorção da água servem para determinar a quantidade de água no solo. As bandas de absorção da água nas curvas espectrais dos solos úmidos são diferentes daquelas nas curvas dos mesmos solos no estado secoSOLO I - Fonte: Kronberg, 1984, p. 50; Lowe,

1969). Argiloso. SOLO II – Solo arenoso.Fonte: Kronberg, 1984, p. 50; Lowe, 1969).

SOLO I

SOLO II


Umidade do SoloSolos úmidos, em geral, apresentam uma reflectância menor que os secos, na faixa de comprimento de onda de 400 a 2600 nm. Para ilustrar, na figura ao lado são mostrados várias curvas espectrais de solos contendo diferentes porcentagens de água. É possível observar ainda que todas elas apresentam bandas de maior absorção pela água em 1400 nm, 1900nm e 2200 nm.

FATORES QUE AFETAM A REFLECTÂNCIA DOS SOLOS

Matéria Orgânica

A composição e o conteúdo de matéria orgânica no solo são reconhecidamente fatores de forte influência sobre a reflectância dos solos. À medida que o teor de matéria orgânica aumenta, a reflectância do solo decresce no intervalo de comprimento de onda de 400 a 2500 nm.

Quando o teor de matéria orgânica no solo excede a 2,0 %, ela desempenha um papel importante na determinação das propriedades espectrais do solo. Quando o teor é menor de 2,0%, outros constituintes do solo passam a ser mais influentes no comportamento espectral do solo do que a matéria orgânica.

Matéria Orgânica

Classificada nas categorias huminas, ácidos fúlvicos e ácidos húmicos;

A proporção destes compostos variam em função dos fatores de formação, tais como as condições climáticas, os organismos que deram origem à matéria orgânica e a composição dos materiais inorgânicos (Flaig et al., 1975) ;

Os espectros de reflectância desses minerais não apresentam feições claramente definidas; Dados espectrais de laboratório mostram que as características de reflectância dos ácidos húmicos e fúlvicos são bem diferentes, não sendo ainda bem compreendida a natureza das relações entre a composição da matéria orgânica e a reflectância dos solos;

Os ácidos húmicos mostram reflectância muito baixa (<2%) em todo o espectro devido ao grande número de constituintes moleculares que absorvem no visível, como os compostos turfosos e seus produtos de oxidação, os aminoácidos, etc. Já os ácidos fúlvicos atingem valores em torno de 22% em 750 nm.


Na Figura abaixo são mostradas três curvas espectrais, obtidas de solos com materiais orgânicos em diferentes estádios de decomposição; ou seja, materiais sápricos (altamente decompostos), materiais hêmicos (moderadamente decompostos) e materiais fíbricos (fracamente decompostos).

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


TexturaUm solo pode apresentar reflectância espectral diferente de outro solo da mesma classe por dois motivos: concentração e tamanho das partículas que compõem os solos;

Em solos com grãos finos, boa parte da luz é refletida antes que as absorções ocorram, resultando em espectros de reflectância com fracas feições de absorção e com um albedo contínuo e elevado;

Amostras com tamanhos de grãos maiores mostram bandas de absorção mais pronunciadas;

Desta forma, fica evidente que a energia refletida por um solo é a soma integrada de todas as energias refletidas pelos diferentes componentes do solo.


Classe solo: Latossolo Roxo (LR) Localização:Quadrícula Guaíra


Quartzo: devido a sua alta refletância solos com maiores quantidades de quartzo apresentam maiores intensidades, ou seja, maiores refletâncias em toda a curva espectral.

Magnetita: (mineral proveniente de rochas básicas) Por ser um mineral opaco apresenta grande absorção da R.E.M diminuindo a intensidade de refletância por todo a curva espectral marcando também os picos de absorção em todo o espectro.


Bandas de absorção em 950nm 1200 nm , 1400 nm e 1900nm absorção nm

H2O e Grupos OH (minerais)

As bandas de absorção em 950 nm e 1200 nm são muito fracas sendo mais difícil de serem percebidas.

As bandas de 1400nm e 1900nm

H2O e Grupos OH (1:1) H2O e Grupos OH (2:1)

COMPORTAMENTO ESPECTRALO EFEITO DA ÁGUA NOS SOLOS CAUSA A ABSORÇÃO DE COMPRIMENTOS DE ONDA CENTRADAS em: 760nm, 970nm, 1190nm, 1450nm e 1940nm.


Caulinita (2200 nm )

A caulinita é um mineral 1:1 que apresenta uma curva uma característica interessante na sua banda de absorção o degrau em 2200nm. Segundo Ben- Dor(2000) nesse comprimento de onda a água em excesso mascara o efeito dos grupos OH da caulinita devido a sua menor superfície específica.

EFEITO DA ÁGUA NA CAULINITA


Óxidos de Ferro e Alumínio (450-760 nm ) e (760-1000 nm);

A hematita apresenta cores mais vermelhas enquanto a Goethita apresenta cores amarelas. Apresentam alta absorção na região do visível e baixa absorção no infravermelho próximo, em uma pequena banda de absorção centrada em 850 nm .

Hematita Goethita

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


ÓXIDO DE FERRO

Em geral, os óxidos de ferro absorvem bastante a energia eletromagnética da região do infravermelho próximo (com máximo de absorção em torno de 900 nm). A quantidade de energia absorvida depende da quantidade do óxido de ferro. Assim, para solos contendo maiores teores de óxidos de ferro, como os Latossolos Ferríferos e os Latossolos Roxos, os espectros de energia refletida, principalmente, na região do infravermelho próximo, são bastante atenuados em razão da presença do óxido de ferro, que sobrepuja as influências dos demais parâmetros do solo.

Óxidos de Ferro

Mais freqüentes - Goethita (FeOOH) e hematita (Fe2O3);

Importância da compreensão da predominância de um ou outro mineral, devido a fatores pedoclimáticos, para o estudo de solos tropicais;

Diferentes práticas de manejo podem ser inferidas de informações relativas à predominância da goethita ou da hematita (influência diferenciada na adsorção de fósforo);

Goethita e hematita apresentam diferentes feições espectrais nas regiões do ultravioleta, visível e infravermelho próximo;

A posição precisa (transições eletrônicas) e a intensidade relativa das feições de absorção, determinadas por Sherman & Waite (1985), centradas em 530 nm para a hematita e em 480 nm para a goethita, determinam as cores vermelha e bruno-amarela, respectivamente, para os dois mineras supracitados.

COMPORTAMENTO ESPECTRALÓxidos de Ferro e Alumínio (450-760 nm ) e (760-1000 nm)

Gibbsita

Grandes quantidades em solos submetidos a forte intemperismo, podendo, em alguns casos ser o mineral dominante na fração argila;

Feições devidas às vibrações do grupo OH (Al2O3.3H2O) - Feições espectrais no infravermelho próximo e de ondas curtas: harmônica de estiramento (2s em 1550 nm) e combinação dos modos de dobramento e estiramento (d+s em 2300 nm);

Solos tropicais - presença de caulinita e gibbsita - Proporção dos minerais indica o grau de intemperismo (distinção de classes de solos).

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

MAGNETITA E ILMENITA Quantidades significativas destes

minerais em solos desenvolvidos de

rochas máficas; Estes minerais são herdados dos materiais de origem e não são produtos da alteração

pedogenética; Os espectros de reflectância desses minerais não apresentam feições claramente

definidas; Espectros apresentando albedos normalmente muito baixos (inferiores a 5%) no visível e no infravermelho;

A opacidade destes minerais é atribuída por Strens & Wood (1979) pelas transferências de carga entre íons (Fe2+, Fe3+, O2- e Ti4+);

COMPORTAMENTO ESPECTRAL (CTC)

A capacidade de troca catiônica inferida pela curva espectral a qual pode diferenciar solos com maiores teores de argila e matéria orgânica é que pode inferir uma CTC mais elevada.

COMPORTAMENTO ESPECTRAL(CONDIÇÕES DE SUPERFÍCIE)

A rugosidade do alvo proporciona uma maior interação com a R.E.M o que promove uma maior absorção quando comparado com uma superfície teoricamente lisa.


Rugosidade e Formação de Crosta SuperficialLogo nas primeiras pesquisas sobre sensoriamento remoto em solos, foi possível reconhecer a presença de formação de crostas superficiais em áreas desnudas, pela diferença no comportamento espectral dessas áreas em relação às adjacentes do mesmo tipo de solo. A formação de crosta faz com que solos úmidos apresentem um comportamento espectral de solo seco. Solos com presença de crosta apresentam maiores valores de reflectância na região espectral de 430 a 730 nm, em relação àqueles cujas crostas foram desfeitas. Este fato foi mais tarde evidenciado em estudos sobre identificação e mapeamento de solo preparado para plantio, na região de Ribeirão Preto, SP.

Por outro lado, durante o preparo do solo, principalmente no período de aração, é comum a formação de torrões. Este fato, gera sobre o solo uma certa rugosidade do terreno, o que se pressupõe interferir na reflectância do mesmo. Essa rugosidade pode causar efeitos tanto de espalhamento como de sombreamento.

COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE ROCHAS

Mineral Fórmula Centro da banda (nm)

Hematita x-Fe2O3 850

Goethita x-FeOOH 650 900-940

Limonita 2Fe2O3 3H2O) 650 900-940

hematita

goethita

limonita

.5 .6 .7 .8 .9 1.0 1.1 1.2 1.3 µm

Re

flect

ân

cia

(%

) granito

calcário

basalto

xisto

0,5 0,7 1,0 1,5 2,0 2,5 µmR

efle

ctân

cia

(%)

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Ainda não foi encontrada uma fórmula universal para analisar os dados espectrais de todos os tipos de solos. As relações entre as características espectrais e algum componente do solo são geralmente válidas para um conjunto de situações que precisam ser experimentalmente definidas. Muita pesquisa é ainda necessária para estudar os efeitos interativos entre os diferentes componentes do solo sobre a reflectância.

MUITO OBRIGADO

Trabalho de Comportamento Espectral

Documents

Transcript of Trabalho de Comportamento Espectral