Comportamento espectral de alvos

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Capítulo 2 do Livro Introdução ao sensoriamento remoto, p. 41-55, 2009 
(ROSA, R.) 
 
 
Comportamento espectral de alvos 
 
 
O comportamento espectral de um alvo pode ser definido como sendo a medida da 
reflectância deste alvo ao longo do espectro eletromagnético. Por exemplo, a FIG. 13 mostra três 
alvos: água, solo e vegetação, que em uma faixa do espectro eletromagnético compreendida 
entre 0,5 a 2,5 µm, apresentam diferentes formas e intensidade de reflectância. Graças a isso, 
podemos discriminar e identificar os diferentes alvos existentes na natureza. 
 
FIGURA 13 – Reflectância da água, vegetação e solo 
Fonte: SWAIN & DAVIS, 1978. 
 
 
2.1 – Processos responsáveis pelas bandas de absorção 
 
Para que se possa compreender melhor a absorção e a emissão de energia 
eletromagnética deve-se partir da estrutura atômica. Em um átomo, os elétrons assumem 
características vibratórias específicas, cada qual correspondendo a um estado de energia 
muito bem definido. O mais baixo deles constitui o estado fundamental; os demais são ditos 
excitados. Quanto maior for o grau de excitação de um elétron, mais afastada do núcleo estará 
a sua esfera vibratória e maior sua energia. 
A passagem de um elétron excitado de um nível de energia para o imediatamente inferior só 
acontece se houver emissão de uma pequena quantidade de radiação, chamada quantum. A 
quantidade de energia emitida é diretamente proporcional à freqüência da radiação produzida 
durante essa mudança de nível. De modo inteiramente análogo, a passagem do elétron de um 
estado de excitação para outro imediatamente superior implica a absorção da mesma 
quantidade de radiação consumida no processo inverso. 
A absorção e a emissão de radiação não estão apenas associadas à transição de estados de 
energia dos elétrons, mas são também definidos outros níveis energéticos relacionados com a 
vibração e a rotação dos átomos que integram as moléculas. 
De acordo com a teoria quântica, cada substância é capaz de absorver e de emitir radiação 
em apenas determinados comprimentos de onda, dependendo do estado de agregação 
molecular em que se encontra. 
Os elétrons de um material podem ser caracterizados pela sua menor energia possível 
(estado fundamental), ou por uma série de níveis de energia mais elevados (estado excitado), 
que são alcançados, por exemplo, quando da incidência da radiação eletromagnética. Esta 
passagem do estado fundamental para o estado excitado só é possível porque ocorre uma 
absorção pelos elétrons da energia incidente. 
No espectro eletromagnético, esta absorção de energia é caracterizada por uma diminuição 
relativa na porcentagem de reflectância em certas faixas de comprimentos de onda, 
denominadas bandas de absorção. A intensidade, forma e localização destas bandas de 
absorção dependem de cada material e são resultados de três processos diferentes: rotacional, 
vibracional e eletrônico. 
O processo rotacional ocorre em nível molecular e é responsável pelas bandas de absorção 
localizadas na faixa infravermelho distante e microondas. 
O processo vibracional também ocorre em nível molecular, porém é responsável pelas 
bandas de absorção entre 1,0 e 2,5 µm. 
Já o processo eletrônico ocorre em nível atômico e está subdividido em processo eletrônico 
do tipo Transferência de Carga, responsável pelas bandas de absorção que ocorrem em 
comprimentos de onda inferiores a 0,4 µm, principalmente próximo a região ultravioleta e azul. O 
processo eletrônico, devido ao Efeito do Campo Cristalino, é responsável pelas bandas de 
absorção situadas na porção do espectro visível e infravermelho próximo. 
As feições vibracionais são muito mais incisivas, marcantes e estreitas, enquanto que as 
eletrônicas são mais amplas e suaves. 
 
2.2 – Comportamento espectral de minerais e rochas 
 
Nos minerais e rochas os elementos e substâncias mais importantes que determinam as 
feições diagnósticas na faixa do espectro refletivo (0,4 a 2,5 µm) são íons ferroso e férrico, água 
e hidroxila. Os elementos químicos mais freqüentes como o silício, alumínio e magnésio 
possuem interesse secundário. 
Na faixa do espectro refletivo mais utilizada em sensoriamento remoto (0,4 a 2,5 µm) os 
processos responsáveis pelas bandas de absorção são os eletrônicos e os vibracionais. 
Podemos destacar as bandas de absorção relacionadas ao íon Fe++ em 1,0 µm, às devidas ao 
íon férrico em torno de 0,7 a 0,8 µm, e aos íons Fe+++, em torno de 0,44 µm. Todas estas 
bandas de absorção são associadas ao Efeito do Campo Cristalino. As absorções que ocorrem 
na região ultravioleta e azul são associadas aos processos do tipo Transferência de Carga. As 
absorções correspondentes aos processos vibracionais produzem feições em torno de 1,4 µm 
(presença de H2O e OH), 1,9 µm e 2,4 µm (presença de H2O). 
As rochas ácidas (<66% de sílica) apresentam elevada porcentagem de minerais félsicos 
(quartzo e feldspato), o que provoca uma elevada reflectância e uma baixa absorção da energia 
incidente (pequena percentagem de minerais opacos). 
As rochas intermediárias (66 – 52% de sílica) apresentam reflectância um pouco inferior às 
rochas ácidas, o que é explicado pela maior porcentagem de minerais máficos (piroxênios, 
anfibólio, olivina e biotita), principalmente a magnetita. Também a porcentagem de magnetita 
explica a menor reflectância das rochas básicas (52 – 45% de sílica) e ultrabásicas (<45% de 
sílica) em relação às demais rochas. 
Quanto às rochas sedimentares e metamórficas, as mesmas considerações são válidas. 
Entretanto, deve-se considerar também um outro fator, o da presença de carbonatos, com 
bandas de absorção em torno de 1,9; 2,0; 2,16; 2,35 e 2,55 µm. Além disto, a presença de 
materiais carbonosos reduzem o contraste das bandas de absorção neste tipo de rocha. 
De uma maneira geral, pode-se notar que os valores de reflectância em rochas aumentam 
com o comprimento de onda (FIG. 14 e 15). 
 
 
FIGURA 14 – Medidas espectrais de laboratório 
Fonte: HUNT & ASHLEY, 1979. 
 
 
 
FIGURA 15 – Medidas espectrais de laboratório 
Fonte: HUNT ET AL., 1979. 
 
2.3 – Comportamento espectral dos solos 
 
O comportamento espectral dos solos é função principalmente da porcentagem de matéria 
orgânica, granulometria, composição mineralógica, umidade e capacidade de troca catiônica 
(CTC). 
O aumento do conteúdo de matéria orgânica provoca uma diminuição da resposta espectral. 
No que se refere à granulometria, com o aumento da concentração de minerais félsicos, a 
diminuição do tamanho das partículas provoca um aumento nos valores de reflectância e a 
atenuação das bandas de absorção. Ocorre o contrário à medida que se aumenta a 
concentração de minerais máficos (FIG. 16). 
 
FIGURA 16 – Reflectância espectral de 3 tipos de solos 
 
Com relação à umidade e a capacidade de troca catiônica, os solos úmidos possuem 
reflectância mais baixa que os solos secos na faixa do espectro refletivo o mesmo ocorrendo 
com o aumento da capacidade de troca catiônica (FIG. 17). 
 
FIGURA 17 – Reflectância espectral de solo arenoso com 
diferentes teores de umidade 
Fonte: HOFFER & JOHANNSEN, 1969. 
 
2.4 – Comportamento espectral da vegetação 
 
O comportamento espectral típico de uma folha verde no intervalo espectral de 0,4 a 2,5 µm 
é mostrado nas FIG. 18, 19 e 20. Na região do visível a reflectância é relativamente baixa, 
decorrente da forte absorção da radiação dos pigmentos do grupo da clorofila. Existem duas 
bandas de absorção preeminentes, centradas aproximadamente em 0,48 µm, devido à presença 
de carotenos, e 0,68 µm, relacionada ao processo de fotossíntese. Destaca-se ainda um pico de 
reflectância em torno de 0,5 µm, correspondente à região verde do espectro visível, o que 
explica a coloração verde das plantas. 
 
FIGURA 18 – Reflectância deuma folha verde 
Fonte: BOWKER ET AL., 1985. 
 
Na faixa compreendida entre 0,7 a 1,3 µm a reflectância passa para valores próximos a 40%. 
Este aumento da reflectância está relacionado à estrutura interna celular da folha. Esta alta 
reflectância é importante para que a folha mantenha o equilíbrio no balanço de energia e não se 
superaqueça, evitando assim a destruição da clorofila. 
O decréscimo gradual dos valores de reflectância para comprimentos de onda superiores a 
1,3 µm é devido à presença da água, com pico de absorção próximo a 1,4 e 1,9 µm. Todas 
estas considerações referem-se a uma única folha verde isolada e sadia. 
Embora estes dados de uma única folha sejam fundamentais, o seu comportamento espectral 
não pode ser aplicado diretamente para uma planta inteira ou para uma cobertura vegetal. 
Percentualmente, a reflectância de uma cobertura vegetal é consideravelmente menor do que a 
de uma folha verde isolada, devido a diversos fatores como a influência de superfícies 
desfolhadas, mudanças no ângulo de iluminação e orientação das folhas. 
 
Basicamente, a medida da reflectância espectral da vegetação depende de uma série de 
fatores como as condições atmosféricas, espécie, solo (granulometria, água, nutrientes), índice 
de área foliar (cobertura da vegetação por unidade de área), estado fenológico (variação 
sazonal), biomassa (densidade total de vegetação), folha (forma, posição, água, pigmentação, 
estrutura interna etc.), geometria de medida, tipo de sistema sensor e cobertura da copa. 
 
 
FIGURA 19 – Reflectância da soja e do milho com o 
mesmo conteúdo de umidade 
Fonte: HOFFER & JOHANNSEN, 1969. 
 
 
FIGURA 20 – Efeito do conteúdo de umidade na 
reflectância de folhas de milho 
Fonte: HOFFER & JOHANNSEN, 1969. 
 
Problemas de vegetação como, por exemplo, chuva ácida, geadas e estresse-hídrico devem 
ser monitorados com imagens tomadas respectivamente no visível, infravermelho próximo e 
infravermelho médio. 
A discriminação e/ou separação de diferentes espécies e variedades de vegetação está 
condicionada ao seu comportamento espectral. 
 
2.5 – Comportamento espectral da água 
 
De um modo geral, a reflectância da água limpa diminui com o aumento dos comprimentos de 
onda, ou seja, na faixa mais utilizada em sensoriamento remoto verificam-se as maiores 
reflectâncias na região do visível, mais especificamente nos comprimentos de onda do azul e 
verde, decrescendo gradualmente na direção do infravermelho. 
À medida que acrescentamos sedimentos na água o pico de reflectância se desloca na 
direção dos maiores comprimentos de onda. Além do mais, a reflectância é maior do que a da 
água limpa. 
 
2.6 – Inércia termal 
 
A inércia termal ( I ) é definida como a capacidade que um material possui em resistir a 
mudanças de temperatura (FIG. 21). É um parâmetro que depende da condutividade térmica (k), 
densidade (d) e do calor específico (c), podendo ser definida pela seguinte equação: 
)( cdkI = 
Condutividade térmica é a medida da velocidade com que o calor passa através de um 
material. Pode ser expressa, por exemplo, em cal/cm s oC. As rochas e os solos são maus 
condutores de calor. 
Além do tipo de material, a condutividade térmica depende também do tamanho das 
partículas e da temperatura. 
A densidade é uma relação entre a massa e o volume, e pode ser medida em g/cm3. 
O calor específico de uma substância é a razão entre a quantidade de calor necessária para 
aumentar em um grau (ºC) a temperatura de uma determinada massa de uma substância e a 
quantidade de calor necessária para aumentar, também em um grau (ºC), a mesma massa de 
água a 15ºC. O calor específico é dado em Cal/g ºC. 
Das três propriedades que determinam a inércia termal a densidade é a mais importante. 
Normalmente a inércia termal é inversamente proporcional à densidade. 
A inércia termal, calculada pela equação anterior, pode também ser obtida ou estimada pela 
diferença de temperatura de radiação, obtida através de duas imagens infravermelha termal 
(diurna e noturna). Esta técnica apresenta vantagem de não utilizar sofisticados equipamentos 
de laboratório, além dos resultados corresponderem à área representativa de cada material na 
imagem. 
 
TABELA 2 – Propriedades termais de alguns materiais e 
da água a 20 ºC 
 
Material K d c I 
Basalto 0,0050 2,8 0,20 0,053 
Granito 0,0065 2,6 0,16 0,052 
Quartzito 0,0120 2,7 0,17 0,074 
Quartzo 0,0120 2,5 0,19 0,054 
Solo arenoso 0,0014 1,8 0,24 0,024 
Solo argiloso 0,0030 1,7 0,35 0,042 
Água 0,0013 1,0 1,01 0,037 
Grama 0,0021 2,6 0,16 0,029 
 
 
FIGURA 21 – Curvas de radiação emitidas por diferentes materiais