LIVRO Sensoriamento Remoto da Vegetação

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sensoriamento remoto
da vegetação
z- edição - atualizada e ampliada
Flávio Jorge Ponzoni
Yosio Edemir Shimàbukuro
Tatiana Mora Kuplich
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© Copyrigh t 2012 Oficin a de Textos
Grafia atua lizada co nfo r m e o Acordo Or tográfico da Lingu a
Portuguesa de 1990, em vigor no Brasil a part ir de 2009.
Conselho editorial Cylon Gonça lves da Silva ; Dor is C. C. K. Kowaltowski;
José Galiz ia Tundis i; Lu is En rique Sánc hez; Paulo Helene;
Rozely Ferreira dos Santos; Teresa Gallotti Floren zano
Cap a Malu Vallim
Projeto grá fico, diagramação e preparação de figuras Dou glas da Rocha Yosh ida
Pre pa ração de tex tos Hélio Hideki Iraha
Revisão de te xtos Gerson Silva
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
(Câmara Brasil eir a do Livro, SP, Bra sil)
Pon zoni , Flávio Jorge
Senso riamento remoto da ve get ação / Flávio
Jorge Ponzoni , Yosio Ede m ir Shimab uk uro, Tatia na Mora Kuplich .-
2. ed . atualiza da e amplia da _. Sâo Pau lo: Oficina de Textos , 2012.
Bibliografi a .
ISBN 978-85-7975-053-3
1. Est udos am bienta is 2. Processamento de imagens
3. Satélites ar tificiais no sensoriamento remoto
4. Sen sor iamento remoto - Imagens I. Shimabuku ro, Yosio Edem ir.
II. Kuplich, Tatia na Mora . III. Títu lo.
12-04224
índ ices pa ra catálogo sistem ático:
1. Imagens por sens oriamento rem oto : Satélites
artificiais; Ut ilização em estudos
ambientai s : Tecnologia 621.3678
CDD-621.3678
Todos os d ireitos reser vados à Oficina de Textos
Rua Cubatão, 959
CEP 04013-043 - São Paulo - Brasil
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www.ofitexto.com.br e -mail: atendeêofitex to.ccm.br
Agradecimentos
Os autores gostariam de agradecer ao Dr. Lênio Soares GaIvão, da Divisão
de Sensoriame nte Remoto do Ins tituto Nacional de Pesquisas Espaciais
(Inpe), pela revisão técnica do conteúdo des te livro, e à Dra. Corina da
Costa Freitas, da Divisão de Processam ento de Imagens do lnpe, pela
revisão da seção 4.5 do Cap. 4.
Sobre os autores ~--+--
FLÁVIO JORGE PONZONI é engenhe iro flor estal form ad o pela Universi-
dade Fede ral de Viçosa , mestre em Ciências Florestais pe la mesma
Universidade e doutor em Ciências Floresta is pela Universidade Federal
do Paran á. Cumpriu program a de pós-doutor ado no Cent ro de Pesqui -
sa s Meteorológicas e Clim áticas Aplicadas à Agricultura da Univer sidade
Estadual de Campinas (Cepagri/ Unicamp), onde desenvolveu trabalhos
voltados pa ra a calibração absoluta de sensores orbitais. Atua como
pesquisad or titular da Divi são de Sensoriamento Remoto do Instituto
Nacional de Pes quisas Espaciais (Inpe), ond e dedica-se a estudos de
caracteri zação es pectra l da vegetação e ao desenvolvimento de metodo-
logias voltadas à calibração absoluta de sensores remotamente situados.
Atua ainda como docente perm anente do curso de pós-graduação em
Sensoriamento Remoto do Inpe,
Ya SIO EDEMIR SHIMABUKURO é engenheiro florestal form ado pela Univer-
sidade Federal Rural do Rio de Janeiro, mestre em Sensoriamento Rem oto
pelo Institu to Nacional de Pesquisas Espaciais (lnpe) e Ph D em Ciênc ias
Florestais e Sens oriamento Remoto pela Colorado State University (EUA).
Atu a como pesquisador titular da Divisão de Sensoriamento Remo to do
Inpe, onde, desde 1973, vem desenvolvendo estudos voltados à aplica-
ção das técn icas de se nsoria mento remoto no es tudo da vege tação. Tem
sido resp on sável pela concepção e pelo aprimoramento das metodolo-
gias destinadas à identificação e à qu antificação de des floresta me ntos
na região amazônica , as quais têm sido aplicadas nos projetas Prodes
e Det er, desenvolvidos pelo lnpe. É docente permanente do curso de
pós-graduação em Sensoriamento Remoto do Inpe .
TATIANA MORA KU PLICH é bióloga form ad a pela Universida de Federal
do Rio Gra nde do Sul (UFRGS) em Porto Alegre. Fez especialização em
Organ izaç ão do Espaço pe la Université Toulouse III (França), Mest rado
em Sensoriamento Remoto pelo Instituto Nacional de Pesquisas
Espaci ais (Inpe) e PhD em Geografi a pel a Univer sit y of Sou thampton
(Reino Unido). Desde 2002 atua como Pesquisador Titular e Tecn ologista
Sênior no Inpe em trabalho s com sen soriamento remoto da vege tação e
uso da terra . Em 2008 tra ns feriu-se para o Centro Regional Sul de Pesq ui-
sas Espaciais (CRS), unida de do Inpe em Santa Maria, RS, onde incluiu os
campos sulinos dos biomas pampa e mata atlântica nos seus temas de
pesqui sa. É doce nte colaborad ora na pós-graduação do Inpe e da UFRGS,
e docente permanente em pós-graduação da Universidade Federal de
Santa Maria (UFSM).
Introdução
As definições mais clássicas das técnicas de sensoriamento remoto
geralmen te enfatizam termos como distância , informação e contata físico,
que de fato estão fort emente associados à sua fundamentação, mas
que , de alguma forma, ofuscam os concei tos principais que permitiriam
ao usuário dessa técnica sua perfe ita e ma is completa co mpreensão.
Dentre esse s co nceitos destacam-se aqueles intrínsecos aos proces-
sos de inte ração entre a radiação eletromagnética, considerada a peça
fundamental das técnicas de se nsoriamento remoto, e os diferentes
objetos - também chamados de "alvos" na literatura de se nso riamento
remoto - dos quais se pretende extrair alguma informação. Para o caso
do sens oriame nto remoto da superfície terrestre, esses objetos incluem
os diferentes recursos naturais, como a água, os solos , as rochas e a
vegetação.
Na aplicação das técnicas de se nsoriamento remoto é possível explo-
rar diferente s escalas de trabalh o, as quais, evidentemente, sã o depen-
dentes da natureza dos estudos pretendidos. Pensando excl usiva mente
n a aplicação em estudos de vege tação, um profis sional especializado
em fis iologia vegetal , por exemplo , explora os processos de interação
mencionados para quantifica r taxas de absorção de radiação por conta
da ação de pigmentos fotossinteti zantes . Para isso, ele trabalha com
equipamento específico em laboratório, cujas medições são realizadas
em partes de plantas ou de órgãos especificos dela s. Um engenheiro
agrônomo, interessado em prever a produção de uma cultura agrícola
utiliza dados rad iom étricos coletados em nivel orbita l par a es timar a
quantidade de folh as em fase s especificas de desenvolvim ento dessa
cultura, a qual é correlacionada com a sua produtividade por meio de
modelos matemáti cos preestabelecid os . Ainda, estimat ivas de desflo -
restame ntos em regiões remotas do planeta são realizadas mediante a
análise de imagens de satélite com diferentes características e escalas; e
assim por diante .
No Brasil , a aplicação das técnicas de sen soriamento remoto no estudo da
vegetação teve início com os primeiros mapeamentos tem áticos realiza-
dos na década de 1940, feitos a partir de foto grafias aéreas. Eram traba-
lhos pontuais e com objetivos basta nte esp ecíficos.Talvez um dos marcos
mais significativos dessa ap licação tenh a sido o Projeto Radambrasil,
que teve como objetivo não só representar espacialmente classes fisio-
n ômicas da cobertura vegetal de todo o território nacional, mas também
os demais itens fundamentais de estudos sobre o meio ambiente e os
recursos naturais, como a geologia, a geomorfologia e os solos . O traba-
lho foi realizado a partir de imagens de um radar aerotransport ado e tem
servido como referência para inúmeras iniciativas de mapeamento em
todo o país até hoj e.
Posteriormente à realização do Projeto Radambrasil , o pa is in iciou a
capacitaç ão de profissiona is das mais variadas formações acadêmicas
na aplicação e no desenvolvimento de técnicas de sensoriamento orbital,
mediante a análise de im agens obti das por se nsores colocados a bordo
dos satélites da série Lan dsat, que operavam em outra s regiões espec-
trais - como as do infravermelho próximo e médio, por exemplo - , em
relação àquelas qu e gera ram os produtos utili zados pelo Projeto Radam-
brasi!. No início, os trabalhos enfatiz ar am a verificaçãodo potencial
dess as imagens na elabora ção de mapas tem áticos, a exemplo do esforço
despend ido no Projeto Rada mbrasi!. Nessa et apa , as técnicas de realce e
de classificação digital (estas últ im as ent ão denom ina das de classificação
automática) foram amplamente estudadas e ava liadas.
Em meado s da década de 1980, tiveram inicio algumas ini cíativas de
mapeamento extensivo de classes es pecíficas da cobertura vegetal
brasileira, incluindo culturas agrícolas com grande importância econô-
mica, como a cana -de -açúcar e o feijão; inventár ios florestais mediante
amostragem proporcional ao tamanho, nos quais as imagens orbitais
serviam como base para a identificação de áreas a serem amostradas
em campo e para a quan ti ficação de superfícies ocupadas por cobert ura
florestal pla ntada; mapeamento dos remanescentes florest ais da mata
atlântica ; est imativas de desflorestamenta bruto na amazônia, além de
outras. Muitas dessas iniciativas sofreram modificações e aprimoramen-
tos e encontram-se ainda em pleno desenvolvimento, com se us resul-
tados sendo utilizados em previsões de safras e no estabelecimento de
políticas nacionais de preservação do meio ambiente.
A partir de meados da década de 1990, as pesquisas com sensoriamento
remoto da vegetação, que até então explo ravam abordagens de cunho
fu ndament almente qu alitativo (identificação e m ape amento de classes
de vegetação), passaram a explorar outra s com ênfase m ais quantitativa.
Foram estabe lecidas, por exemplo, correlações entre parâmet ros geofí-
sicos do meio ambiente e/ou biofísicos da vegetação, como ° índice de
área foliar (IAF) e a biomassa, com os dado s radiométricos extraídos de
imagens orbitais. Para tanto, foi necessária a concretização de esforços
na compreensão dos aspectos radiométricos intrínsecos aos processos
de formação das imagens. Nesse período, as técnicas de processamento
de im agens, que até então quase que se limitavam às classificações
automáticas, passaram a explorar maior diversidade conceitu al, dando
origem aos modelos lineares de mistu ra; às normalizações radiométri -
cas , que tê m como objetivo permitir a comparação de da dos rad iorn étr i-
cos de cenas de um me smo sensor ou de diferentes sensor es obtidas ao
longo de um tempo sobre uma mesma superfície; aos modelos de corre-
ção atmosférica; aos campos contínuos de vegetação, além de outros.
A aplicação das técn icas de sensoriamento remoto no estudo da vegeta-
ção conta com o esforço e a dedicação de inúmeros profiss ionais
envolvidos com a aplicação e o desenvolvimento de metodologias que
resultaram no acúmulo de um conhecimento significativo que pode
agora ser disponibilizado para outros profissionais interessados em dele
se servir. Oobjet ivo deste livro é, portanto, divul gar e disponibilizar uma
parte desse conhecimento a toda a comunidade brasileira, na espera nça,
ainda, de motivarjovens cientistas a contribuírem na neces sária amplia-
ção do conh ecimento mencionado.
Sumário
1 A vegetação e su a inte ração com a radiação elet romagnét ica 13
1.1 Conceit uação 13
1.2 Inte ração da rad iação e let romagné tica com os dosséis vege ta is 28
1.3 Folhas iso ladas x dossé is 43
1.4 Mode los de reflectância da vegetação 45
2 Aaparência da vegetação em imagens multiespectrais 49
2.1 Interpre tação visual 59
2.2 Processamento digital 67
3 A ima gem como fon te de dados radiomét ricos
(abord age m q uantitativa) 75
3.1 Conversão de ND para valores f ísicos , 75
3.2 Correção atm osférica 79
3.3 Norma lização rad iom étrica 82
3.4 Transformações radiométricas 85
4 A veg etação através de dados SAR 113
4.1 Breve introdução aos da dos SAR 113
4.2 Parãmetros dos sistemas SAR 115
4.3 Caract erísticas dos alvo s 118
4.4 Mecanismos de espalhamento 119
4.5 Polarimetria e interferometria 119
4.6 A vegetação e m dad os SAR 122
4.7 Dados SARo rbitai s passados e d isponive is 125
4.8 Aplicações de imagens de radar para a vegetação 125
5 Aplicações 135
5.1 Área de estudo 135
5.2 Caracterizando espect ralmen te 138
5.3 NDVI e modelo linear de mistura espect ral 142
Cons iderações finais 151
Referências bibliog ráficas 153
l eitura recomendada - 159
A vegetação e sua
interação com a radiação
eletromagnética 1
1.1 Conce it uação
Pensar no processo de interação entre a radiação eletromagnética e
a vegetação nos faz recordar que os ve getais realizam fotossíntese,
processo fun damentado na absorção da ra diaçã o eletromagnética por
parte dos pigmentos fotossintetizantes como as clorofilas, xantofilas
e carotenos. Sabemos que essa absorção não ocorre indistintamente
ao longo de tod o o espectro eletromagné tico, m as especificamente na
região do visivel (0,4 um a 0,72 um), Sabemos ai nd a que, de todos os
órgãos exi stentes em uma planta, as folhas são aqueles que têm como
função principal viabilizar a interação com a radiação eletromagnética
especifica me nte ne ssa região espectral. Além diss o, o que mais seria
relevante saber quando se considera a aplicação de técnicas de sensoria-
mento remo to no estudo da vegetação? Para responder a es sa pergunta ,
deve mos primeiramente considerar que exis tem várias escalas de traba-
lho possíveis, as quais permitem o estudo de partes de uma planta. de
uma planta in teira e de conjuntos de plantas. A adoção de uma escala
específica exigirá um determinado nível de conhecimento, tanto sobre a
veg etação em si como sobre todo o instrume ntal disponível para viabili-
zar o estudo pretendido, Consideremos primeiramente o es tudo de uma
única folh a extraida de uma determinada planta. Antes de aprofundar-
mos nossa discussão sobre sua interação com a radiação ele tromagné-
tica, recordemos alguns aspectos de su a morfologia. A Fig. 1.1 apresenta
um corte transversal realizado em uma determinada folha.
Épossível observar que as folhas são constituídas por di ferentes tecidos.
Aface ventral é aq uela qu e está volta da par a cima, recebendo então maior
quant idade de radiação eletromagnética prov inda do Sol. Ness a face é
que se encontram diferent es tipos de estruturas, como pelos e camadas
Mesófilo
paliçádico
Mesófilo
esponjoso
Célula-quardaPoro estomat al
il Epiderme
~""=::.lk__~""'#-e,~~-~==:=::::_~ inferior
Fig. 1.1 Seção transversaldeumafolha
de cera (cutícula) que exe rcem diferentes funçõe s de proteção. Logo
abaixo dessas estruturas, encontra-se a epiderme, composta geralmente
por célula s alongadas e por outra s diferenciadas par a desemp enhar
funções específicas, como aquelas que formam os estômatos. Abaixo
da epiderme enc ont ra-se o mesófilo paliçádico, ta mbém chamado de
parênquima pal içádico, o qual é orga nizado por células ricas em cloro-
plastos , que são as organelas dentro das quais se encontram os pigmen-
tos fotossintetizantes, principalmente as clorofilas. Seguindo em direção
à face dorsal da folh a, encontra -se o mesófilo esponjoso, ta mbém conhe-
cido como parênquima espo njoso, que se caracteriza por apres entar
uma orga nização de células menos compact a do que o mesófilo paliç á-
díco, que lhe confere uma maior qu antidade de lacunas entre as célul as,
lacunas essas preenchidas com gases resultantes dos processos de
respiração e de transpiração. Segue-se novamente a epiderme, com um
número frequentemente maior de estômatos em relação à face ventral,
e, finalmente, uma nova camada de cera ou de cutícula, na qual voltam
a aparecer estruturas como pelos e ceras .
É evidente que existem variações ma rcantes de estruturas de folhas entre
espécies diferentes e até mesmo entre folhas de uma mesma espécie,
cujos indivíduos se desenvolvem em condições ambienta is diferencia-
14
das, mas o que é relevante compreender é que a folha em si pode ser
consi derada como um meio pelo qu al a radiação eletromagné tica trafega ,
e dependendo do comprimento de onda dessa radiação, alguns compo-
nentes desse meio, bem como outros fatores relacionados à fisiologia da
planta, vãoexercer influência no processo de interação mencionado.
Conclui-se que um feixe de radiação incidente pode ser refletido imedia-
tamente após seu encontro com as estruturas localizadas na cutícula ou
até mesmo na epiderme; pode ainda penetrar nessa primeira camada
epidérmica, vindo a incidir sobre as células localizadas no mesófilo,
Dependendo das características estruturais desse meio (arranjo de
células, disposição de espaços intercelulares e composição quimica),
esse feixe pode vir a atravessar (transmissão) completamente a folha.
Para melhor comp reendermos esses fenôme nos, imaginemos, primeira-
mente, um caso h ipotét ico no qual, sobre uma determi nada folha , inc ida
Assim como acontece com qualquer
obje to sobre o qual in cida certa
qu ant idade de radiação eletrom ag-
nética, três são os fenômenos que
descrevem o processo de interação
em questão. São eles: a reflexão,
a transmissão e a absorção. Simpli -
ficadamente, as frações espectrais
da radiação incidente que serão
refl etidas, transmitidas e absorvi-
das dependerão das característi-
cas físico -químicas de um objeto.
Com as folhas, o mesm o raciocí-
nio pode ser aplicado. Vejamos,
portanto, os aspect os mais relevan-
tes desse pro cesso.
A Fig. 1.2 apresenta outro corte trans-
versal de uma folha com indicação
das possíveis trajetórias de feixes de
radiação eletromagnética incidentes.
Fig. 1.2 Seção transversa l deuma folha
comas passiveistrajetóriasdaradiação
eletromagnética incidente
Fonte: Gates et aI.(1965).
15
16
-- ~
somente radiação eletromagnética referente à região do visível. Sabemos
que essa radiação é absorvida pelos vegetais para sua transformação em
elem entos químicos vitais à sobrevivência deles por meio do processo de
fotossíntese. Considera ndo, ainda de forma h ipotética, que parte dessa
radiação não é refletida inteirame nte pela cama da epidérmica e pelas
demais estruturas localizadas na cutícula, vindo então a penetrar no
mesófilo paliç ádico, qua is seriam as possibilidades de trajetó ria desse
feixe em sua passagem através da folha?
Primeiramente temo s de considerar que dentro da folha exi stem, de
fato, diferentes me ios pelos quais o feixe de radiação em questão deverá
transitar. Dentro das células exis te basicamente água, diferentes tipos de
solutos e organelas com tamanhos diferenciados, muitos dos quais com
dimensões compatíveis até com as dimensões dos comprimentos de onda
da radiação incidente. Entre as células existem espaços preen chidos com
gases como o C02 e o 0 2, além de outros. Sabemos que água e ar apresen-
tam índices de refração diferentes. Essa diferença acarreta frequentes
alterações na trajetória de um feixe de radiação inc ide nte à medida
que esse feixe translada de um meio para o outro. Nosso feix e hipoté-
tico ten derá a atravessar totalme nte a folha, seguindo um a trajetória
er rante dentro dela, a qu al será interrompida totalmente, caso seja captu-
rado pelos pigmentos fotossintetizantes . Como já foi mencionado, esses
pigmentos encontram-se localizados em grande quantidade logo abaixo
da epiderme da face ventral das folhas, n as células do mesófilo paliçádico.
Essa possibilidade de absorção pela ação dos pigmentos fotos sintetizan-
tes se verifica somente para a radiação eletromagnética referente à região
do visível. Vale salientar, entretanto, que nem toda a radiação incidente
correspondente à região do visível é absorvida por esses pigmen tos. Parte
dessa radiação chega a at ravessar totalmente a folh a, o qu e explica que,
quan do contrapomos um a folha à luz solar, pe rcebemos que ela apresenta
algum brilho, não sendo totalmente "preta" (tota l ausência de reflexão
ou emissão da radiação elet romagnética). Mas, e se o feixe de radiação,
que hipoteticamente ass umimos como da região do visível, fosse agora
referente à região do in fravermelho próximo (0,72 11m - 1,1 11m)?
Consideremos ta mbém que esse novo feixe de rad iação não foi reflet ido
imediatamente após incidir na cutícula foliar, vindo a incid ir na epiderme
-
e, posteriormen te. no mesófilo paliçádico. Nesse caso, ele não terá a
mínima chance de ser absorvido pelos pigmentos fotossintetizantes,
uma vez que es tes não absorvem radiação nessa faixa espectral. Assim
como aconteceu com o primeiro feixe que imaginamos (região do visível),
o segundo feixe seguirá uma trajetó ria errante no inter ior da folha,
alterando sua direção em função das já mencionadas mudanças de meios
e das conseque ntes alterações nos índices de refração, aliadas a possíveis
colisões com faces críticas de organelas e demais constituintes celulares.
Aqui ganham importância a forma e a dens idade da es trutura interna dos
tecidos foliares, e es truturas mais lacunosas tendem a alterar mais signi-
ficativamente a trajetória de um feixe de radiação.
o tamanho da estrutura celular da folh a é grande qu and o comp ara do
com os comprimentos de ond a da radiação eletromagnética na chamada
região óptica. As dimensões típicas da s células do parênquima paliçádico,
do mesófilo esponjoso e das células epidérmicas são: 15 um x 15 um x 60
um; 18 um x 15 um x 20 um: e 18 um x 15 um x 20 um, res pectivamente.
A camada imp ermeável da folh a tem uma espessura muito variáve l,
osc ila nd o entre 3 um e 5 um . Segundo Cleme nts (1904), os cloroplastos
(pigmentos res ponsáveis pelo armazen amen to da clorofila ) sus pensos
no protoplasma (meio interno da célula) apres entam-se gera lme nte com
5 um a 8 um de diâmetro e cerca de 1 um de comprim ento, e aproxi -
m ad amente 50 cloroplas tos podem es ta r prese ntes em cada célula do
parênquima. Dentro dos cloroplasto s es tã o os grana, de nt ro dos quais
se encontra a clorofila. Os grana podem ter 0,5 um de compri mento e
0,05 um de diãme tro.
Pensando ainda na trajetória de um feixe de radiação eletromagné-
tica dent ro de uma folha, val e lembrar que, para um feixe de radiação
eletromagnética refer ente ao infravermelho médio (t.t um - 2,5 um), os
mesmos aspec tos discutidos para o feixe da região do infravermelho
próximo seriam pertinentes. Entretanto , a água exi stente no interior
das células ou em alguma s lacunas intercelulares seria responsável
por grande pa rte da absorção da radiação, semelh ante mente ao qu e
foi descrito com os pigmentos foto ssintet izantes para o feixe da região
do visív el. Em outras pala vras , quanto maior a quantidade de água no
interior da estrutura foliar, menor a quantidade de radiação refletida.
17
18
Percebe-se, portanto, que o processo de interação entre a radiação
eletromagnética referente ao espectro óptico e uma folha é de pen-
dente de fator es químicos (pigmentos fotossintetízantes e água) e
estruturais (organízação dos tecídos da folh a), e pode ser analisado
sob os pontos de vista da absorção, da transmissão e da reflexão da
rad iação. A análise conjunta desses t rês fenômen os compõe aquilo
que denominamos como o estudo do comportamento espectral da vegeta-
ção, que envolve principalmente o estudo dos fa tores in fl u entes n a
refl~xão da radiação por folhas isoladas e por dosséis vegetais, que
são os conjuntos de plantas de uma mesma fisionom ia, como, por
exemplo, o dassel florestal, o dcssel de cana-de -açúcar, o dossel de
gramíneas etc.
Antes de darmos continuidade à descr ição dos fatores intrínsecos
da vegetação que interferem na reflexão da radiação eletromag-
n ética, é interessante re cordarmos alguns conceitos radiométri-
cos importantes e necessários para uma plena compreensão dessa
descrição. Primeiramente, sabemos que o Sol é a principal fonte de
radiação eletromagnética utilizada no estudo dos recursos n atu r ais
mediante a aplicação das técnicas de sensoriamento remoto. A radia-
ção emitida por esse astro trafega no espaço sob a forma de um fluxo,
cuja inten sidade varí a com o comprimento de onda (À). A Fíg. 1.3
apresen ta um gráfico que descreve a intensidade do fluxo radiante
emitido pelo Sol para cad a comprimentode onda , na fa ixa espec-
tral compreendída entre as re gíões do vísível (0,4 um - 0,72 um), do
infravermelho próximo (0,72 um - 1,1 um) e do in fraverm elh o médío
(1,1 um - 3,2 um) .
A linha tracejada no gráfico da Fig. 1.3 representa a curva de irradiância
de um corpo negro à tem peratu ra de S.900o K, que pode ser considerada
como a intensidade de fluxo radiante que seria "sentida" ou determinada
no topo da atmosfera. A linha cheia com descontinuidades representa a
mesma inten sid ade, mas agora determinada na superfície da Terra. Ao
analisar-se então as curvas apresentadas na Fig. 1.3, é possível obser-
var que a intensidade da radiação eletromagnética emitida pelo Sol sofre
atenuação pela interferên cia de diferentes componentes contidos na
atmosfera. Essa intensidade do fluxo radiante é denominada irradiância
2.500
2.000 A,
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- - - - Curvade irradi áncla de um corpo
negro à temperatura de 5.900 oK
-- Curva de irradiância solarno
topo da atmosfera
- - Curva de Irradtáncta solar
ao nível do mar
Fig. 1.3 Intensidade do fluxo radianteemitido pelo Sol
Fonte:adaptado de Swaine Davis(1 978).
(E) e, como pode ser determinada para cada comprimento de onda ou
para regiões espectrais específicas. recebe o símbolo À, ficando en tão
repres entada por E}..
.'•
Objeto
Fig. 1.4 Representação esquemática da
geometriadaincidência do fluxo radiante
sobre umdeterminadopontolocalizado na
superfície de um objeto
Vale lembrar que o flu xo in cide de
tod as as direções sobre o ponto
ind icado na Fig. 1.4 e que a radiação
que atinge esse ponto varia em inten-
sidade de acordo com o comprimento
de onda. Conforme mencionado
Perc ebe -se ainda , no grá fico apresentado n a Fig. 1.3, que as maiore s
intensidades do flux o radiante ocorrem na região do visível, mesmo
para a radiação que atinge a super-
fície terrestre. Assim, imaginando
um ponto localizado na superfície da
Terra, geometricamente, a inc idência
do fluxo radiante sobre esse ponto
poderia ser represen tada conforme
ilustra a Fig. 1.4.
19
anteriormente, no momento da incidência, são três as possibilidades de
intera ção entre a radiação eletrom agnéti ca e o objeto (reflexão , tra ns -
miss ão e absorção), sendo a inten sidade dos processos dependente das
características físico-químicas do objeto e do comprim ento de onda.
Atendo -se exclus ivamente ao fluxo de radiação eletromagnética
re fletido pelo ponto apresentado na Fig. 1.4, a geometria de reflexão é
similar (mas não necessariamente idêntica, como veremos a se guir) à de
incidência, porém em sentido exatamente contrário. Existirá, portanto,
um flu xo refletid o que de ixar á o pon to em direção ao ambiente com
intensidades diferentes para cada comprimento de onda. A ex istência de
um a direção preferencial de reflexão será depen dente das característi-
cas da superfície na qual ocorre a incidência e do ângulo dessa incidên-
cia . Essa intensidade é denominada de excitância, representada pelo
símbolo M. Analogamente à irradiância E, a excitância também pode ser
representada em term os esp ectrais , o que é leito por M,.. AFig. 1.5 ilust ra
a geometria da reflexão do fluxo rad iante refletido por um ponto locali-
zado em uma dada super ficie de um obje to.
Objeto
Fig. 1.5 Representaçãoesquemática da
geometria dareflexãodofluxo radiante a
partirde umdeterminado pontolocalizado na
superfíciede umobjeto
Diferentemente do que foi apresentado na Fig. 1.4, aqui os vetores que
repres ent am as direções do fluxo de radi ação eletro magnética refletido
por um ponto fictício localizado na superfície do objet o têm dimensões
diferenci adas, sugerindo que, em algumas direções , o fluxo refle tido é
mais intenso. De fato, para a maioria dos objetos existentes na superfí-
cie terrestre, a reflexão da radiação
eletromagnética não ocorre igual-
mente em todas as direções ao longo
de todo o esp ectro elet romagné-
tico, para um determin ado ângulo
de incidência. É preciso lembrar
que o fluxo de radi ação incident e é
composto por radiação em diferen-
tes comprimentos de onda e que as
condições geométricas da reflexão
variam para cada comprimento de
ond a. Quando não há uma dom inân-
cia da reflexã o em um a dada direção
20
e em uma faixa espectral específica, dizemos que a superfície é isotró-
pica, ou seja, que ela reflete igualmente a radiação eletromagnética em
todas as direç ões, independentemente da direção da incidência do fluxo
radiante. Uma superfície pode ser isotrópica em uma determinada faixa
espectral e anisotrópica em outra. Um exemplo de uma superfície relati-
vamente isotrópica na região do visivel é uma folha de papel branco,
tipo sulfite . Alguém que observe es sa folha sobre uma superfície plana
e completame nte ilumina da pelo Sol, a pa rtir de diferentes posições ao
seu redor, terá sempre a mesma sensação de brilho em seus olhos , o que
caracteriza a isotropia mencionada. Mas esse brilho, quando observado
em outras faixas espe ctrais que não a do vis ível, pode não ser o mesmo.
Tudo dependerá das propried ades espectrais da folha de papel ao longo do
espec tro eletromagnético. A maioria dos objetos localizados na superfície
da Terra não é isotrópica pa ra amplas faixas do espectro eletromagnético.
Ao imaginarmos agora um sensor localizado sobre essa superfície,
coletando a radiação eletromagnética refletida por ela , teremos uma
situ ação simi la r à ilustrada na Fig. 1.6.
Um sensor "observa" então uma determinada porção da superfície e regis-
tra a intensidade do fluxo refle tido somente dessa porção. Imaginando cada
um dos infinitos pontos que compõem a superfície em questão, a intensi-
dade da radiação eletromagnética efetivamente medida de cada ponto seria
aquela contida em um cone imaginário formado pela dimensão (diâmetro,
normalme nte) da óptica do sensor (base do cone) e o ponto localizado na
superfície do objeto (vértice do cone).
Esse cone é tecnicamente denominado
Fig. 1.6 Geometriade colete de dados a partir
de umsensor
,
/':
AngUrO~sólido h.r--tt--'<
l-
r
de ângulo sólido. A intensidade médi a
do fluxo radiante refletido, origin ado
então de todas as infinitas intensi-
dades provenientes de cada um dos
infinitos pontos existentes na super-
fície, é denominada radiância (L). Como
pode ser medi da para cada com pri-
mento de ond a ou para regiões especi-
ficas do esp ectro eletromagnético,
também recebe a designação L,..
21
22
Como já foi mencionad o, a irr adiância (E,j é uma medida de int ensid ade.
Ess a inte nsidade é va riável , inclusive para um mesmo com pr im en to
de onda e para um a fonte de radiação espe cífica. Isso signi fica que as
curvas do grá fico apresentado na Fig. 1.3, por exem plo, pode m sofrer
oscilações que caracte rizam mudanças em EÀ- Quais as consequênci as
de ssas oscilaç ões sobre os valores de L;.,.? É fáci l concluir que L}. é direta-
mente proporcional a Ei.. ou seja , qu an to maior for a inten sid ade em EÃ •
maio res serão os va lores de LI.. . Isso inviabiliz a qualquer caracte rização
espectral sobre um determinado objet o, uma vez que, nessa ca racteri-
zação, o que se busca é registrar as qu an tidades re fletidas (ou transmi -
tidas) de rad iação eletrom agnética em determinadas faixas do espectro
eletrom agnético por um de terminad o objeto , segundo suas propried ade s
físico-químicas, e no caso do uso de LÀ, ' estaríamos à mer cê das ca racte-
rística s espectrais da fon te ou de algum agen te interferente na trajetó-
r ia da radiação (interferência na intensidade), como a atmosfera . Assi m ,
surge a ne cessidade de apresentar mais um conc eito importa nte, o qual
se refere à reflectância.
É im por tan te ter em mente que aqui estamos apenas trata ndo da in ter-
ferência na in tensidade do fluxo in cide nte sobre um objeto , despre -
zando, po rtanto, as in terferências na com posiçãoespect ral des se
fl uxo. Para m elhor entender sobre o qu e estamos trat ando, basta
voltar a observar a Fig. 1.3, que mostra u m grá fico no qu al é eviden te a
interfe rê ncia espectral da atmosfera sobre o fluxo incidente n a super-
fície terrestre.
A re flec tâ ncia é uma propriedade de um det er minado objeto de refle tir
a radiação eletromagnéti ca sobre ele incidente e é expressa por meio dos
chamados fatores de reflectância (p), que , por sua vez, podem ser expres -
sos em termos es pect rais, recebend o também a designação PJ.- Nesse
momento, é importante nos repor tarmos àquilo que já foi men cionado
anteriormente, sobre um objeto ser ou não isotrópico. Assim , o fluxo
de radiação refletido por um determin ado objeto ou su perfície não só
apresenta caract er ísti cas espectrai s definidas pel as suas propriedades
físico -químicas, como também car acterísticas geométricas es pecífi-
cas da incidência e da reflexão da rad iação, uma vez que a maioria das
superfície s dos recursos naturais não é isotrópica . Dizemos, portanto,
que os fatores de refl ectância podem ser bidirecionais quando existem
duas geometrias envolvidas no processo de interação entre a radia-
ção eletromagnétic a e uma dada superfície de um recurso natural:
uma caracte rizada pelos ângulos zen ital e azimutal da fonte (geometria
de incidência) e a outra caracterizada pelos ângulos zenital e azimutal do
sensor (geom et ri a de visada).
o cálculo do fator de re flect ância bidi recional pode ser realizado
mediante a apl icaç âo da Eq. 1.1.
L,.{ljfs' as;Ijff ' arl
EÀ(Ijf"arl
(1.1)
O N DE:
P,.(\jIs,8,;\jI',O,) é o fator de reflect ância bid irecion al da geom etria de
iluminação caracterizada pelo ângulo azimutal \lff e pelo ângulo
zenital 8, da fonte de rad iação elet romagnética (norm almente o Sol,
conforme já foi mencionado), e da geometria de visada caracteri zada
pe lo ângulo azimutal \jI, e pelo ângulo zenital Os do sensor ;
L;.(\jIs,Os;\jI"O,) é a radiância bidirecional resu ltante da geometria
de iluminação carac terizada pelo ângulo az imutal \jI' e pelo ângulo
zenital O, da fonte de radi ação eletromagnética, e da geometria de
visada caracterizada pelo ângulo azimutal \VS e pelo ângulo zenital
8s do sensor;
E;"(\Vf,ec) é a irradiância espectra l solar no nível da superfície a ser
caracterizada espectralmente, para os ângulos azirnutal wr e zenital
8, da fonte de radiação eletromagnética.
O fato r de reflect ância bid irecion al representa então a quant idade
relativa de ra diação eletromagnética que é réfletid a por uma dada
su perfície ou objeto, pa ra uma dada condição geométrica de ilumina-
ção e de visada. Ele serve para ava liar as propriedades de refl exão da
rad iação por parte de um objeto ou superfície, independentemente das
intensidades de radiação incidentes sobre ele. Trata-se , portanto, de um
parâmetro fundamental no estudo do comportamento espectral de alvos ,
tema importante não só a todos aqueles que pretendem compreender
os fundamentos das técnicas de se nsoriamento remoto, como também
àqueles que delas vão se utili zar.
•
23
Existe também o fator de reflectância direcional-hemisférica, que é deter-
mi nado m ediante a iluminação direcional (com valores conhecido s do s
âng ulos ", e eda fonte de iluminação) e a coleta da radiação eletromagn é-
tic a refletida mediante a utilização das chamad as esferas integradoras.
Um a vez recordados esses conceitos, podemos prosseguir em nossas
discussões sobre os fato res influentes na re flexão da radiação eletro-
m agnética por parte da vegetação.
Vimos que , a rigor, a re flectância de um objeto é uma propriedade espec -
tral inferida por meio do cálculo de fato res de reflec tâ ncia que relacio-
n am a intensidade da radiação refletida por um objeto com a intensidade
de radiação incidente em uma dada re gião espectral. A Fig. 1.7 apresenta
uma curva do fator de reflectância direcional -hemisféri ca de uma folha
verde sadia. Essa curva descreve, então, o fen ômeno de interação da
radiação eletrom agnética com uma folha verde sadia, no que se refere ao
fen ômeno de reflexão.
Conteúdo de
ág ua da folha
~ Pigmentos Est rutu ra
0,6 da folh~-I----cel u,~l a",'_-; ---'= = ",,= ,,-__~
0,4
p
0,2
Clorofila
carote -
noldes ,
I I /
LrJJ
H20
absorç ão
H,O
absorção
2,5
,
2,0
I
1,5
Ic, um
I
1,0
o __ ,_---'- ~--.L-~---~-__
0,3 0,5
Fig . 1.7 Curvade fatar de ref lectâneia direcional-hemisféricatípicade uma folhaverde
Fonte: Novo (1989).
o inte rvalo espectral mostrado n a Fig. 1.7 foi dividido nas três regiões
espectrais já mencionadas, quais sejam , vis ivel (0,4 um - 0,72 um),
infravermelho próximo (0,72 um -l,lllm) e infraverm elho m édio (í .t um
- 3,2 um) . Como já mencionado, em cada uma de ssa s regiões a forma
da curva é defi nida por diferentes constituintes da folha, que, de forma
mais de talh ad a, pod eria ser assim descrita:
2.4 !
al regia o do visível (0,4 11m - OJ2 11m): nessa reglao, os pigmentos
existentes nas folhas dominam a reflectância (referimo-nos, va le
lembrar, à propriedade do objeto de refletir a radiação in cidente, e não
à sua estimativa quantitativa, feita mediante o emprego dos fato res
de re fle ct ância). Sâo eles, po rtanto, que definem a forma da curva
dos fatores de re flec tância nessa região espectral. Esse s pigmentos,
geralmente encontrados nos cloroplastos, sâo: clorofila (65%), carote-
nos (6%) e xa ntofilas (29%). Os valores percentuais desses pigmen-
tos existentes nas folhas podem variar intensamente de espécie
para espé cie . A energia radiante interage com a estrutura folia r por
absorção e por espalhamento. A energia é absorvida se letivamente
pe la clorofila e convertida em calor ou fluorescência, e também
convertida foto qu imicamente em energia armazenada na forma
de componentes orgânicos po r meio da fotossíntese. Os pigmentos
predominantes absorvem radiação n a região do azul (próximo a
0,445 11m ), mas somente a clorofila absorve n a região do vermelho
(0,645 um). A maioria das plantas são moderad amente transpare n-
tes n a região do verde (0,540 um) . Shul'gin e Kleshnin (1959) estuda-
ram 80 espécies e ver ificaram que a absorção da energia ra diante na
região de 0,550 11m a 0,670 11m aumenta proporcionalmente com o
aumento do conteúdo de clorofila . Conclusão similar foi encontrada
po r Tageeva, Brandt e Derevyanko (1960), qu e estudar am a correla -
ção entre o conteúdo de cloro fila e as propriedades ópticas de três
espécies distint as;
bl região do infravermelho próximo (0,72 um - 1,1 um): nessa região
ocorre absorção pequena da radia ção e considerável espalhamento
interno da radiação na folha. A absorção da água é geralm ente baixa
ness a re giã o, e a re flectân ci a é quase constante . Gates et aI. (1965)
conclu íram qu e a reflec tância espect ral de folh as ness a região
do espectro ele tromagné tico é o resultado da in tera ção da ene rgia
incide nte com a estrutura do m esófilo. Fatores exter nos à folha,
como dispon ibilidade de água, po r exemplo, podem causar alterações
na re lação água-ar no m esófilo, e, as sim, al te rar quantit ativamente
a reflectância de um a folh a ne ssa região. De maneira geral , qu anto
m ais lacunosa for a estrutura interna foliar, maior será o espalha-
m ento in terno da radiação incid ente e, consequentem ente, m aio re s
serão também os valores dos fatores de re flect ância;
25
26
c] região do infra vermelho médio (1,1 um - 3,2 pm): a absorçã o de cor-
rente da água liquida afeta a reflectãn cia das folhas na região do
in fravermelho médio. No caso da água líqu ida, esta apresenta,
na região em torno de 2,0 pro, fatores de reflec tância geralmente
pe quenos, menores do que 10%para um ângulo de incidê ncia de 65°
e menores do que 5% para um ângulo de incidência de 20°. A água
absorve con sideravelmente a radiação incidente na região espec-
tral compreend ida entre 1,3 um e 2,0 um. Em te rmos mais pontu-
ais, a abso rção da águ ase dá em 1,1 um; 1,45 um ; 1,95 um e 2,7 um.
A influência do conteúdo de umidade sobre fatores de reflectância
direcional-hemi sfér ica de uma folha de milho é mostrada na Fig. 1.8.
Ao observar-se a Fig. 1.8, es pe cialm ente a região (1,1 um a 2,5 um) do
infravermelho médio, verifica-se que à medida qu e a folh a de milho foi
se tornando mais seca, houve aum ento dos valores do fator de reflec -
tância direcional-hemisférica, acompanha do de suavização das feições
de absorção ent re 1,3 um e 1,5 um e entre 1,9 um e 2,0 um . Com respeito
à dinâmica da curva de reflectância para as dem ais regiões es pec-
trais, na região do vis ível, como já foi comentado, a forma da curva é
explicada pela ação/quantid ade de pigmentos fotossinte tiz antes. Assim,
o que explicaria a dinâmica verificada no experimento que resu ltou no
gráfico da Fig. 1.8? É fácil compreender qu e a said a da água aca rreta
outros fenômen os quím icos e físicos na folha. Quimicament e, espera-s e
que a diminuição da quantidade de água aca rrete degradação de pro te -
ínas e de pigm en tos fotos sinte tizantes, o que tornará a folha menos
apta a absorver radiação eletromagnética nessa região es pec tral, e isso,
por sua vez , resu ltará no aum ento dos valores do fator de reflectância
direc ional-hem isf érica . Na região do infravermelho próximo, obse rva-
-se que, com a saída da água do interior das folhas , os valores desse
fator aumentaram . Considerando que nessa faixa espectral a form a
da curva é explicada pela estrutura interna da s folhas, a saida da água
deverá promo ver alguma alteração nessa estrutura. Essa alteração é
dependente de vários fatores, como a de nsidade das par edes celulares
(ma ior ou men or biomassa), o arranjo das célu las dentro dos te cidos
foliares e também o tempo de m anutenção de um det erminado teor de
um idade. Para o caso do experiment o em questão, tudo ind ica que, com
a saída da água , as células foram se tornando mais prismáticas, o que
80 Reflect ânda es pect ral DK-2
/~.
70
60
...,----_.. - ..... \ .,.---
I" ,..... \
/1' __ - - '" \ r ....",-
1 / " \ _ _ ,..I
I I~\ / ' - ,
J J ' , / I
40 I I ' A ' _....-,
I ~ ,,- -
30 - I" ,- I '-
t' ) ', _ _
!
...<._ - 54 - 66% --66 - 100%
O+ - r----,-- ..,----,- --,--- ,-----,- ..-- .----.--
M ~7 M 1.1 1,3 1,5 lJ 19 ~1 2.3 ~5
Comp rimento de onda (~lm)
Folhasde milho-umidade
---- 0 -40% ---- 40 - 54%
Fig. 1.8 Infl uênciado conteúdo de umidade sobreo fatar de ref lectânciadirecional-
-hemisféricadeuma folhade milho
Fonte: Kuma r (1974).
contribuiu para a form ação de faces crí ticas ao desvio da trajetória da
radiaçã o elet rom agnética. Além diss o, a estru tu ra inte rna como um
tod o pode ter se tornado m enos compacta em relação às folhas túrgi-
da s. Resultado diferente poderia ser encontrado com folh as de outras
espécies de plantas , cujas es truturas in ternas fossem diferent es das
folhas de milho. Mesm o para outras folh as de milh o, os res ult ado s do
experimento pode riam ser diferentes se os tempos de m an uten ção dos
teore s de umidade durante a realização do experimento fossem outros.
Nesse caso, poderia haver um colapso da estrutura in terna das folh as ,
tornando-as mais compactas , o que implicaria a redução dos va lores do
fator de refl ect ância direcion al-hemisférica.
Pelo que foi apres entado até o momento, é fácil perceber que fatores
ambientais ou de cará ter patogên ico que at uem na composição qu ímica
ou es tr utural das folhas vão acarretar alterações na s su as propriedades
espect ra is . Segundo Guyot (1995), por exemplo, os ataques de pa rasitas
podem acarretar:
a] a modificação do conteúdo de pigmentos fotossintetizantes, que
altera a reflect ância na região do visível;
bl a ocorrência de necro ses, que afeta direta e prog ressiva mente a
reflectância na reg ião do infravermelho próximo;
17
28
c) a introdução, no metabolismo foliar, de substâncias que podem
ocasionar o aumento ou a diminuição da reflectância em diversas
regiões espectrais;
dI a alteração do equ ilíbr io h ídrico folía r, que afet a a reflectãncia princi-
palm ente na região do infravermelho médio.
Na região do visível , as folhas infect ad as por fungos exibem reflectã ncia
m aior do qu e as folhas sadias , o que provavelm en te pode se r explicado
pela perd a da clorofila. Ela é m eno r na região do in fraverm elho (acima
de 1,08 um}, o qu e pode ser atribuído à invasão da s hifas nos espaços
intercelul ares, que tendem a com pactar a est rutura interna das folhas.
Sou sa, Pon zoni e Ribei ro (1996) avalia ram a in flu ência do te mpo e do
tipo de arm azenam ento de folha s de Eucalyptus grandis extraídas da s
plantas-m ãe sobre sua reflectân cia espec tra l. O objetivo do est udo era
identificar quais condições de armazenamento e períodos de tempo
acarretariam alte raçõ es n a reflectância das folh as. As condições de
estresse com eçaram a ser "sentidas" nos valores de reflectância seis
horas após a extração da s folhas para a região do visível, quando foram
armazen adas em sacos plást icos, e somente 23 horas após a extração,
quand o foram mantidas à temperatura ambiente e no escuro (sem o
uso de sacos plásticos). Na re gião do infravermelho próximo, diferenças
significativas foram verificadas três horas após a extração para as folh as
mantidas à temperatura ambiente .
Pon zoni e Gonçalves (1997) caracte r izaram esp ectralmente os sintom as
de deficiências de nitrogên io, fós foro e potássio em folhas extraídas
de Eucalyptus saligna. Os auto res verificaram diferenças sign ificativas
nos valores do fator de reflect ância direciona l-hemisférica na região
do visível, em folhas que apresentavam sintoma s de deficiências
em potássio.
1.2 Interação da rad iação eletromagnética com os dosséis vegeta is
Todas as discus sões apresentadas até aqui referiram-se ao estudo das
propriedades espe ctra is de folhas iso lada s , m as a ap licação das técnicas
de sensoriamento remoto no estud o da vegetação inclui a necessidade de
compreender o processo de interação entre a radiação eletrom agnética
e os diversos tipos fisio nômicos de dosséis (flores tas, culturas agríco las,
formaçôes vegetais de porte he rbáceo etc.).
Imaginemos, em um primeiro momento , que um dassel vegetal seja
constituído somente por folhas e que essas folhas encontram-se
posicionadas horizontalmente em cam adas. Esse dasseI é observado por
um sensor remotamente situado, conforme ilus trado na Fig. 1.9.
Dosse l
Sensor
Fig. 1.9 Dossel hipotético constituído
somente porfolhashorizontalmente
posicionadas, observadoporumsensor
remotamente situado(versãocolorida - ver
pra ncha1)
Considerando esse dossei hipotético composto ent ão somente por folh as,
o esperado é que sua reflectância seja muito parecida com a reflectân-
cia das folha s isoladas (individualme nte). Há de se ressaltar, no entanto,
alguns aspectos importantes relacionados agora-com a geometria de
aquis ição dos dados.Quando apresen tamos as propr iedades espectrais das
folhas isoladas, mencionamos que os valores de reflectância apresentados
referiam-se, na realidade , ao fator de reflectânc ia direc ional-hemisférica,
determinado mediante a utili zação de esferas integradoras. Por sua vez,
quando tratamos de refl ectância de doss éis, estamos nos referindo ao fator
de refle ctância bidireciona l, uma vez que ex istem duas geometrias bem
definidas:uma de iluminação (posição
do Sol) e outr a de visada (posição do
sens or). De qualquer forma, em nos so
dosse I hipotético, mesmo tratando-se
de fatores de reflectância geometrica-
mente diferen tes (os das folhas isola-
das e os do dossel), é esp erado que a
forma da curva do fator de reflect ân-
cia bidi recional do dossei seja muito
semelhante à do fator de reflectãn-
cia direcional-hemisférica das folhas
isoladas. Mas quais fatores, implíci-
Para respondermos a es sa pergunta,
vamos iniciar um exe rcíc io sobre
a reflectância bidirecional de um
tos aodoss el, exercer iam influência
suficie nte para proporcionar diferen-
ças nessas curvas?
29
•
30
dasseI imaginando que nosso dassel hipotético fosse consti tuído po r
um a ú ni ca camada de folhas h or izon tal m ente posicionadas e distribuí-
das un iform em ente ao longo de toda uma superfície plana. Ao medirmos
o fato r de reflectância bid irecional desse da ssel nas regiões espectrais
do visível e do in fravermelho próxim o, espera-se qu e os valo res desse
fator para a região do vis ível sejam menores do que os valores medidos
no infravermelho próximo. Isso ocor rerá por que na reg ião do visível
as folhas absorvem radiação eletromagnética pela ação dos pigmentos
fotossintetizantes, ao passo que na região do infravermelho próxim o
essa radiação é espalhada de acordo com as características da estrutura
interna dessas folhas.
Im agin an do agora que mais uma camada de folhas fos se adicionada à
pri m eira, segundo a mesma distribuição espacial sobre a superfície, o
que aconteceria com os valores do fat or de reflectância bidi recional desse
"novo" dossel nessas duas regiões espectrais em estudo? Para respon -
der a essa pergunta, temos de lembrar que um a folha não é totalmente
opaca na região do visível, e muito menos na região do in fraverm elho
próximo. Sendo as sim, parte da radiação eletromagnética que conseguiu
atravessar a prim ei ra camada de folhas atinge então as folhas existentes
na segunda ca mada. Considerando a radiação eletromagnética da região
do visível, temos de im agin ar que uma quantidade maior de pigm en -
tos fotos sintetizantes foi disponibilizada quando da superposição da
segunda camada de folhas, o que acarretará a diminuição da reflectân-
cia de to do o conj unto (maior absorção da radiação). Considerando agora
a região espectral do infravermelho próx imo, aquela porção da radia-
ção eletromagn ética que atravessou inteiramente a primeira cam ad a
e atingiu a segunda camada de folhas pode ser re fletida e transmitid a
novamente (quase nada nessa região é absorvido pela folha), segundo
esquema apresentado na Fig. 1.10.
Pelo esquema apresentado na Fig. 1.10, é possível constatar que, se
somente u m a cam ada de folh as fosse considerad a nesse n osso ex peri-
mento, ap roximadamente 50% da radiação eletromagnética in cidente
se r iam refl etidos e 50% seriam t ransmitidos através das folhas. Qu ando
uma segunda camada de folhas é sobrep os t a à primeira, dos 50% da
radiação ele tromagnética que foram transmitidos, 25% poderiam ser
Energia incidente
Fig. 1.10 Reflexãomúltipladaradiação eletromagnética referenteao infravermelho próximo
entrecamadas de folhas
refletidos novamente e 25% poderiam ser transmitidos através da
folha. Desses 25% de radi ação eletromagnética que teriam sido reflet i-
dos e que poderiam incidir novamente nas folhas da primeira camada ,
12,5% poderiam ser refletidos pelas faces dorsais das folhas da primeira
camada e 12,5% poderiam ser transmitidos através da folh a, indo somar-
-se aos já 50% de radi ação eletromagnética oriund os da reflex ão original
já apresen tada, o que to tali zaria 62,5% do tota l, que seria contabili-
zado como energia refle tida nesse nosso experimento. Esse fenômeno
que des crevemos é denominado de espalhament o múltiplo e seu efeito
é análogo ao espa lhamento in terno da radiação eletro magnética no
in terior da folha.
Assim, temos duas situações antagônicas: na prime ira, na regiao do
visível, a refl ectância diminui com o aume nto de camadas de folhas , e na
seg unda, na região do infravermelho próximo, a reflectância aumenta
com o aumento do número de camadas. Mas essas dinâmicas não
apres entam variações lineares, ou seja, a diminuição da reflectância na
re gião do visível com a adição da segunda camada de folhas não apresen-
31
tará a mesma dimensão quando urna terceira camada for acrescida, e o
mesmo acontecerá com o acréscimo de um a quarta camada, e ass im por
diante. Na região do infravermelho, analogamente, o aumento da reflec-
tância com a adição de camadas também não será linear e apresentará
acréscimos sempre menores à medida que forem acrescidas camadas
adicionais de folhas . Esse fenômeno comprova o caráter assintótico da
reflectância de dosséis, também conhecido como reflectância infinita.
A Fig. 1.11 ilustra a dinâmica mencionada.
Visível
12
Infravermelho próximo
2 4 6 8 10
Camadasde folhas
I
I ........
"
-r-;
í ./,
70
60
50
40
30
20
10
O
O
I
12
"I I
4 6 8 10
Camadasde folhas
2
8°.Ê~~~I~~~~!~t~!
70
60
eo 50
'" 40
u, 30
20
10
O
O
Fig. 1.11 Dinâmicadosfatoresdereflectância bidirecionaldedosséissimulados em função doaumento
donumero decamadas de folhas
Portanto, toda a discussão que apresentamos usando o número de
camadas como referência poderia ser feita com o IAF. Assim, quanto
maior o IAF de um dossel, es pera-se que a sua reflec tância seja menor
(1.2)IAF= Área de folhas (cm2 )
Área no terreno (cm2)
Na região do infravermel ho médio, a dinâmica da reflectância do nosso
dos sel hipotétic o seria sem elhante àquela verificada para a região do
visível. Entretanto, o que explicaria a diminuição da reflectância em
função do aume nto de número de camadas seria o aumento da oferta de
água no conjunto como um tod o, análogo à maior oferta de pigmentos
fotossinteti zantes na região do visível. Porém, quando trabalhamos com
dosséis de verdade , não expressamos a quantid ade de folhas exi stente s
pelo número de camadas, e sim por um índice que expressa a quantidade
em área de folh as por área no terreno (adimension al), o qu al é de nomi-
nado de índice de áreafoliar (IAF), que é determinado pela equação:
32 I
na região do visív el e maior no infravermelh o próximo. Sabemos en tão
que essa dinâmica não é linear e que o que se espera é que haverá um
valor de IAFacima do qu al não mais observaremos alteração nos valores
de reflect ância do dossel, sej a para o visível (ele teria assumido seu
va lor mínimo), seja par a o in fravermelho próximo (ele teria assumido
seu valor m áxi mo). Esses valores de IAF sã o específicos para cada reg ião
es pect ra l em questão e são de nominad os pontos de satu ração.
Os pontos de saturação são muito importantes pa ra as aplicações da s
técnicas de sensoriamento remoto no estudo da vegetação porque repre -
se ntam, de fato, uma das grandes limitações do emprego dessas técn icas .
Assumi ndo sim plificadamente que apena s o IAF explicaria a din âmica
da refl ect ância de um dossel, uma vez atingidos os pontos de sa turação
no visível e no infravermelho próxim o, a vegetação pode ria con tinuar
crescendo (surgiment o de novas folh as), porém não mais haveria altera-
ção nos va lores de reflectância ne ssas du as regiões espectrais.
Para se ter uma ideia, o ponto de saturação para a região do visível , para
a maioria dos dosséis de cu lturas agrícolas, varia entre 2 e 3, ou seja,
a partir do momento em que um a cultura agrícola apresenta o dobro
em área de folh as em relação à área no terreno, não mais se ver ificam
alterações na sua reflect ância na região do visível. Para a região do
infravermelho próx imo, o ponto de saturação vari a entre 6 e 8, ou seja,
para essa região espect ral, sã o maiores as possibil idades de moni to-
ra men to do dese nvolviment o de uma cultura agrícola, uma vez que é
necessária uma maior quantidade de folhas para promover a saturação
da reflect ância do dossel, em relação à região do visível.
Epa ra uma vegetação de porte florestal? Será que as mesmas considera-
ções se riam pertinentes? Será qu e som en te o IAF explicaria a dinâmica
da reflectância de um dossel? Prossigamos então no entendimento de
como se dá o processo de in teração da radiação ele tromagné tica com
um dossel. Pensemos no flu xo de radiação que incide sob re um dossel, O
movimento do fluxo solar incidente dentro do dossel em direção ao solo e
o consequente movimento em direção ao sensor não depende m somente
das propried ades de es pa lh amentoe de absorção dos elementos da
vegetação, mas também de suas densidades e orient açõe s. Um element o
lJ
34
da vegetação (p.ex., uma folh a presen te no interior do dossel) recebe dois
tipos de rad iação: aquela qu e n ão é interceptada pe los dem ais eleme n-
tos e a radiação interceptada e espalhada por esses elementos. Ass im ,
o sensor recebe vários tipos de fluxos:
.1 fluxo es pal hado somente uma vez por um elemento da vegeta ção
(espalhamento único);
bl fluxo espalha do vá rias vezes por muitos elementos da vegetaçã o
(espalhamento múltiplo) sem ter atingido o solo (no cas o do processo
de interação entre a radiação eletromagnét ica e a vegetação, o solo é
cons iderado um a parte integrante do dossel);
c] fluxo refl etido pe lo solo, que ati nge o senso r sem ter sido intercept ado
por qualquer elemento ou , se in terceptado por algum dos elementos
da vegetação, é esp alhado em direção ao sensor.
A distribuição es pacial dos elementos da vege tação, bem como as su as
den sidades e orientações, define a arquitetur a do dosse!. A distribu i-
ção espacial depend e de como foram arranj adas as seme ntes no plantio
(no caso de veget ação cu ltivada), do tip o de vegetaçã o existe nte e do
estágio de desenvolvimento das plantas . Essa arquitetura é também
caract er izada pela or ien tação ang ular das folh as, qu e é descr ita por
uma função densidade de distribuição f(S1, '1'1), onde SI e '1'1 sã o a incli-
nação e o azimute da folha , re spectivament e, e denom in ada de distribui-
ção angular de folhas (DAF), que varia cons ide ravelmente entre os tip os
de vegetação.
Os dosséis são normalmente descritos por um dos seguintes seis tipos
de distribuições: planófila, quando as folh as sã o posicionadas com
ângulos de inclin ação (em relação ao horizonte) menores do que 300 ;
erectófila , qu ando esse ângulo é freque nteme nte m aior do que 600 ; plagi-
ófila , quando o ângulo de inclinação se situa entre 30° e 60°; extremó-
fila, semelhante à situação angular descrita em plagiófila, porém com
as folh as inclinadas para baix o; unifor me, com ângulos de inclinação
próximos a 4 5°; e esférica, com diferentes ângulos de inclinação das
folhas, sem predominância de qu alquer valor. A Tab. 1.1 apresenta ess as
distribuições, acompanhadas dos valores méd ios e o segundo momento
do ângulo de inclinação foliar <e l>o
TAB. 1.1 DAFs f(OI) paraváriostipos dedosséis
f\\ll} Média <\lI> ~l \') V \')
Planófila 2(1+<01' On/lI 26,76 1058,60 2,770 1,172
Ere, tófila 2(1-<01' On/lI 63,24 4341,40 1,172 2,770
Plagiófi la 2(1 -<01' OI)/lI 45,00 2289,65 3,326 3,326
Extremófila 2(1+<01' On/lI 45,00 3110,35 0,433 0,433
Uniforme 2/lI 45,00 2700,00 1,000 1,000
Esférica sen01 57,30 3747,63 1,1 01 1,930
(*) parâmetrosda distríbuiçãobeta
Fonte: Go.!. Streb.!(1984).
Goe l e Strebel (1984) mostraram que todas ess as di stribuições ideais,
assim como muitas distribu ições determ inadas especificamente, são
casos especiais de uma distr ibuiç ão dita "u niversal", determinada pe la
distribuição beta. Essa distribuição é dada pela equação:
f(OI) ~ [1 / (360)(90l][q~ + v) / r(~)r(v)J(l - 01 / 90r'[01/ 90]'-' (1.3)
O NDE:
r é a função gama e os dois parâmet ros J..l e v são relaciona dos ao
ângulo de inclinaçâo foliar médio (AIFM) e seu segundo momento <01>,
ambos da dos por:
AIFM ~ (90)v / (~ + v) (1.4)
Os valores de J...l e v correspondem aos seis tipos de dis tribuições apresE..
tados na Tab . 1.1.
Na Fig. 1.12, a folh a 2, qu e está posici onada perpendicularmente à ilum i-
nação solar, é dita "bem iluminada", enqua nto a folha 1, qu e se encon-
tra posicionada quase que paralelamente ao s raios lum inosos, é dita
o efeito da DAF sobre a função de distribuição da reflectância bidirecional
(FDRB) foi ap resen tado por Norm an, Welles e Walter (1985) por meio de
um exemplo muito si mp les de duas folhas planas disposta s num plano
principal (Fig. 1.12).
(1.5)< 01 >~ (90)v(v + 1) /(~ + v)(~ + v +1)
J5
"mal iluminada". O observador A, que tem o Sol às suas costas, verá o
bri lho da cena sendo in fluenciado pelas reflectâncias da parte dorsal da
folha 1 e da parte ventra l da folha 2. O observador Bverá melhor a folh a
"mal iluminada" (folha 1). Para ele , a cena parece rá mais escura do qu e
a vista pelo observador A. O brilho da cena, nesse caso, é determinado
pela transmi tâ ncia da folha 1 e a reflec tâ ncia da folha 2. A reflec tância
es pecular de ambas as folhas não é observada em nenhuma das posições
assumidas pelos observad ores A e B.
Refl exão especular
Folha 2 Folha 1
36
Fig. 1.12Ageometria dodossel e sua influência sobreo fatorde reflectância bidirecional
Fonte: Norman, Wellese Walter(1985).
Quando a font e de iluminaçâo é posicion ada exatamente atrás do obser-
vador (ou sensor), será observada a m aior proporçâo de componentes
da vegetaç âo iluminados diret amente. Sombras dentro da vegetaçâo
ou sobre a supe rfície do solo serâo escondidas pela folh agem (ou pelas
partic ulas do solo) que é iluminada. Por conseg uinte, a reflectânc ia da
vegetação tenderá a ser mais alta nessa situação. Esse pico na reflectân-
cia , quando a fonte luminosa se enco ntra atrás do observador, é denomi -
nad o hot spot (Suits, 1972). O dossel é compos to por mu itas folhas com
uma ampla gama de inclinações e ângulos azimutais. Por isso, em geral,
a magn itude do hot spot depende da DAF. Uma vez que o somb reamento
de uma folh a causado por outra é dependente do tam anho da folh a,
o efeito hot spot também é dep enden te desse tamanho (Goel, 1988).
Existe outro efeito da DAF sobre a reflec tância da vegeta çâo . A DAF in flu i
na probabilidade de ocorrência de clareiras através do dosse l como um a
função dos ângulos zenitai s solar e de visada, qu e determi nam se os
flux os de incidência e de excitânci a serão ou não interceptados pela
vegetação. Por essa afirm ação, conclui-se qu e o fator de re flectãncia
bidireciona l é fortemente dep endente da DAF, se ndo possivel, inclu-
sive, sua utilização para inferir sobre es ta , med ian te a modelagem dessa
re lação. Kimes (1984) apresentou uma excelente discussão sobre a relação
en tre a DAF e o fator de reflect ância bidirecional. Dosséis compostos por
folhas dispostas mais hori zontalmente apresentam uma menor va riabi-
lidade na reflectãncia em função dos ãngulos zenit ais solar e de visada,
e os maiores valores de reflectância para todas as distrib uições. Para
dos séis compostos por folh as dis postas mais verticalme nte, a reflectân-
cia decresce com o aumento do ângulo zenita l solar na região do vis ível,
enquant o aumenta na região do infravermelho próximo, uma vez que o
sensor passa a "ver" mais o espalh amento causad o pelos elementos do
dos sel localizados nas camadas superiores, e "vê" menos os componen-
te s das cam adas inferiores que esp alham menos a radiação ele trom ag-
nética incidente.
Assim, fica evidente que não só o IAF exerce influência sobre a reflec-
tância de um dossel, m as também a orientação es pacial dos elementos
que o compõem. Vejamos, por exemplo, o caso de cu lturas agrícolas que
são plant adas segundo orientação es pecífica no solo. Jackson et a!. (1979)
estudar am o efeito da confi guração de plantas de trigo, da elevaçã o solar
e do ângulo azi mutal na reflectância espect ral de doss éis e consta ta ra m
qu e, na região do visív el , as alterações na refl ectância foram explicadas
pe la maior abso rção da rad iação eletromagnética por parte dos pigmen-
tos foto ssinte tizantes. Em dosséis menos den sos ou mais aberto s, as
plantas absorvem mu ita radiação eletrom agnética nessa regi ão espec-
tral e sombreiam diferente s porções do solo e de outras partes de plantas
vizinhas , dep en dendo da elevação solar, da direção de fileiras e da altur a
das plantas. Os au tores con sideraram que, para uma orientação norte-
-sul de fileiras, o solo é sombreado intensame nte nas pr imeiras horas da
manhã, mas próximo ao ho rário das 12h elese torna quase que in te ira-
men te iluminado. Por conse guinte, a reflectân cia au men ta na região do
vis ível com a elevaç ão solar. Par a uma or ientação leste -oeste de fileiras ,
a fração ilumi nada do solo é menos alte rada com a elevação solar (em
relação à orientação norte-sul), dependendo do es paçamento entre as
37
38
fileir as e da al tura das planta s . Par a a região do infravermelho próximo,
em condições de baixa ele vação solar , qua ndo um determina do dos seI
não é disp osto em file iras e a ilum inação se dá mai s oblíqua em relação
à camada sup er ior do dossel, a radiação eletromagnética en tra no
dossel de forma que uma maior quantidade de folhas passa a ser ilumi -
nada , acarretando o aumento da reflectância nessa regi ão es pectral.
Quando o sol se posiciona mais próximo ao z ên ite (máxim a elevação),
o número de folhas diretame nte atingidas pela radiação eletromag nética
dim inui e , consequentemente, a refle ctância do dassel tende também
a diminuir.
No caso de culturas agrícolas ou de vegetação cuja parte aérea é consti-
tuída principalmente por folhas , a orien tação das file iras exerce menor
influência na região do infravermelho do que na região do visível, em
razão do menor efeito das so mbras, um a vez que as folhas são prati-
camente transparentes ne ssa região espectral. Quando o objeto de
es tudo é composto por fis ionomias florestais ou mesm o por vegetação
de porte arbustivo, mas cuja parte aé rea das plantas é dom inada por
folhas , galhos e troncos, mesmo na região do infravermelho próxim o as
sombras também exercem influência, criando desigualdades na ilum i-
nação em diferen tes camadas do dosse!.
Com relação à geome tria de visad a, ela tem sido es tudada principalmente
no que se refe re às variações do ângulo zenital de visada (8v) . Res ulta-
dos experimentais têm indicado que o aumento de ev acarreta também
aumento na refl ectância da vegetaçã o, tanto na região do visível como
na do infraverme lho próximo. Atualmente existem sensores orbitais
que coleta m dados em diferentes ãngulos de visada (ou de observação)
e que vêm permitindo o aprimoramento do conhecimento da influência
multiangular sobre a reflectância de dosséis.
Nessa discussão que fizemos , percebe-se que a de nsidade da veget ação
e sua orientação espacial exercem influência fundamental na dinâmic a
da refle ctância de um dossel, em função da variação nas geo metrias de
iluminação e de visada. Nesse processo , as propriedades espe ctrais dos
solos tornam-se fortem ente influentes na reflec tância de um dossel,
se este for pouco den so ou abe rto. Veja mos, por exemplo, o traba lho de
Ranson, Daught ry e Biehl (1986), que ava liou o efeito dos ângulos solar e
de visada e da camada inferior (nível do solo) de dossé is de Abies balsa-
mea sobre sua reflectância espectral. Os autores cons ideraram três
densidades de doss éis, sendo um muito denso, o outro medianamente
denso e o outro pouco denso, e três diferentes tipos de revestimen-
tos para suas camadas inferiores, sendo uma constituída por grama, a
outra por placas de material de tonalidade clara e a outra do mesmo
material, mas de ton alidade escura. Os resultados encontrados levaram
à conclusâo sobre a com plexidade de interpretar as causas da reflec-
tância espec tral de cenas tão heterogêneas. Dossé is ma is homo gêneos,
com grande qu antid ade de folh as verdes, foram alta mente refle tivos na
região do infravermelho próximo, mas reflet iram muito pouco na região
do vermelho. Para doss éis meno s den sos, o efeito da camada inferior do
dassel e das sombras teve de ser considerado na análise dos resultados .
Ranson et al. (1981) estuda ram a reflect ância espectral de dosséis de nsos
e abertos de soja. Os autores verificara m que , quando o sensor "observa"
o dossel no mesmo plano de iluminação (essa condição ocorre quando
o azimute relativo entre a fonte de radiação eletromagnética e o sensor
é igu al a zero), a refl ect ânc ia do dossel aumenta na direçâo de re troes -
palhamento e dim inui na direção oposta em ambas as regiões espec-
trais (visível e infravermelh o próximo). Também constat aram que , com
o aumento do ângulo zenit al de visada (llv) , a reflectân cia do dossel
dim inui quand o a iluminação se dá em um plano perpendicu lar ao plano
de visada . Na direção do re troespalhamento (hot spot), a proporçâo de
somb ras é reduz ida e o sensor "vê" principalmente as folhas e os ramos
di ret amente iluminados, além da cama da inferior do dossel.
Um outro efeito da arquitet ura do dossel sob re sua reflectância ocorre
quando os elementos da vegetação não se encontram uniformemente
dis tribuídos . Supondo que, ao invés de estarem uniformemente distri-
buídas no dossel, as folha s estivessem agrupadas , esse agrupamento
apresentaria dois efeitos principais: ele aume ntaria a probabilidade
de ocorrência de lacun as através de toda a extensão do dossel , o que,
por sua vez , aumentaria a influência do espalhamento dos elementos
des se mesmo dos sel locali zados nas camadas mais próximas ao solo.
Este último, porsua vez, assim como os elementos da vegetação, também
40
absorve e espalha (refle te) a radiação eletromagnética incidente sobre
ele. Par te da radiação refletida é espe cu lar e parte é difusa . No caso de
dosséis esparsos, a reflectância do so lo atinge uma maior importância,
especialmente no caso de vi sadas verticais e na direção do retroespalha-
me nt a. Em geral, o efeito do es pa lh am ent o múltiplo n as camadas mais
próximas ao solo acarreta m ais absorção, diminui ndo a reflectância do
dossel. Contudo, se o solo for muito arenoso e claro (região do vis ível),
esse efeito pode ser inverso.
Rao, Brach e Marck (1979) realizaram um trabalho envolvendo a refl ec-
tân cia bidireciona l de dossé is de cereais , de gram a e de milho. Os autores
concluíram que a radiância da ce na foi representat iva das influências das
plantas e do so lo. Nesse contexto, o IAF e o tipo de solo assumem uma
importância significati va na reflectância de um dassel. Para se conhe -
cer a contribuição do solo, as observações devem se r feit as repe tidas
vezes, e deve-se conhecer a porcentagem de cobertura do solo ou o IAF
e a geometria de visada . A sombra foi cons iderada como um ele mento
que introduziu discrepâncias nos resultados, norma lmente acarre-
tando diminuição na radiância refletida. De maneira geral, quanto m ais
exp os to for o solo, maiores serão os valores de refl ectância medidos na
região do visíve l.
Como pôde ser observado, enfatizamos nossas discussões nas regiões
do visível e no infraverm elho próximo, uma ve z que essas regiões espec-
trais têm sido as ma is exploradas em trabal hos que utilizam as téc nicas
de sensoriamento remoto no estudo da vegetação. Contudo, para a região
do in fravermelho méd io, as aná lises são similares àquelas apresentadas
pa ra a região do visível, levando em consideração que o fat or fun damen-
tal nessa região espectral é a água disponível no interior das folhas.
É impor ta nte destacar ainda que, quando anal isamos os fatores que
interferem na reflectância de folha s e de dos séis, nada menciona mo s
a respeito dos equipamen tos que são utili zados nessas med ições, nem
a res pe ito da interferência da atmosfera sobre os resultados dessas
medições, que, dep endendo do nível de aquisição de dados, pode exercer
grande influênci a. Ass im, seria interessante apresentar a concepção
sugerida por Goel (1988), que defi niu um sistema pert inente ao sensor ia-
menta remoto da vegetação a pa rtir de dados de reflect ãn cia espectral
de dosséis , o qual seria constituí do pelos seguintes subsist em as:
aI fonte de radiação, qu e norm almente se tra ta do Sol e é definida por
uma sé rie de proprieda des /parãmetros representados pelo conjunto
(a;), qu e inclui a irradiãncia espectral EÀ e a localização espacial (8, ~
ãngulo zenita l solar e <p, = ãng ulo azimutal solar);
b] atmosfera , que é carac te rizada por uma sér ie de propriedades/
par âmetros representados por [b.], inclui ndo as concentrações
espacialmente dependentes e as propriedades seletivas de abso rção
e de es palhame nto dos divers os comprime ntos de on da por parte de
aerossóis, vapor d'água e ozânio;
c) dossel, que é caracterizado por uma série de propriedades/par âm etros
representa dos por [c.], incluindo os parâmetros ópticos (reflectância e
transm itância) e estruturais (formas geométricas e posicion amento)
dos com pone ntes da vegetação (folh as , galhos, frutos, flores etc.), a
geometria de plantio e parâmetros ambie ntais como temperatura,
umidade relativa, velocidade do vento e precipitação. Em gera l,
esses parâmetros apres entam dependências es pec trais. espaciais
e temporais;
d] solo, que é caracterizado por uma série de propriedades/parâ metros
representados por [di], ta is como reflectância e absortâ ncia, rugosi -
dade super ficial, textura e umidade;
e] detector, que é caracterizado por uma série de propriedades/
parâm etros rep resentado s por lei}, os qu ais definem sua sensibili-
dade espect ral, abertur a, calibração e posicionam ento espacial (Elv ~
ângulo zenita l de visada e <pv = ângulo azi mu tal de visada).
Quando a radiação solar inc ide no topo da atmosfera , pa rte dessa rad ia-
ção é espalhada e/ou refletida pelas partícu la s atmosféricas; outra parte
atr avessa a atmosfera e é espalhada/refle tida pelo dossel ou pelo solo.
A radiação espalhad a/ refletida é en tão detectada por um se nso r (detec -
tor), que pode es tar posicionado a poucos metros acima do dassel ou
acoplado em plataform as aéreas (aviões) e orbitais (saté lites). Assim ,
pode-se definir a sé rie {R;} de at ribu tos da radiação recebida pelo sensor
como um a função daqueles subsistemas:
(1.6)
41
Goel (1988) considerou que existem dois aspec tos relevantes a serem
cons iderados no estudo da relação entre a radiação detec tada e os
parâmetros desse sis tema. O primeiro envolve a definição de uma
função ou algoritmo (f) que defi ne {Ri), conform e sejam as caracteris t i-
cas do sistema (ai. br, c., di. ei). Esse aspecto é definido pelo autor como
problema direto. O segund o envolve a defi nição de uma função, relação ou
algoritmo (g)qu e gera a série {Ci} de propriedades/parâmetros da vegeta-
ção a partir dos valor es medidos {Ri}. Simbolicamente , tem -se que:
(1.7)
42
Esse último modelo foi defi nido pelo autor como o problema inverso, ou o
problema de estimar os pa rãmetros do dosse l a partir de dados de reflec-
tância. Nota-se que Ci foi retirado da equação. Usualm ent e , a solução
do problema direto é um pré-requisito para a solução do problema inverso,
porém o autor cons iderou que, um a vez que o número de medidas de
reflec tância é men or do que o número de parâmetros ut iliz ados em su a
determinação. o problema inverso é muito ma is difícil de ser solucionado.
Das considerações até aqui apresentadas . conclui-se que a "aparência"
da cobertura vegetal em um det erminado produto de sensoriamento
remoto é fruto de um proce sso complex o que envolve muitos parâmetros
e fatores ambient ais. O que é medido efetivamente por um sensor
remotament e sit ua do, oriundo de um dossel vegetal, n ão pode ser expli-
cado somente pelas características intrín secas des se dossel, mas inclui
a in terferência de vários outros parâmet ros e fatores .
O fluxo radiante solar incidente sobre um dosse l é constituído por
duas partes: um a fração da radiação que não é absorvida ou es pal hada
pe la atmosfera, por isso denominada fluxo direto, e out ra fração que é
espalhada pel a atmosfera na direção descendente, incidind o sobre o
dosseI de forma difu sa , por isso denominada flu xo difuso. Essa última
fração depende das condições atmo sfé ricas (sobretudo vapor d'água)
e varia com o comprimento de ond a, sendo maior na regi ão do visível
(0,40 J.1 m a 0,72 um) do que nas regiões do infravermelho próximo (0,72 J.1m
a 1,10 J.1m) e do infravermelho médi o (1 ,10 J.1m a 3,20 m m). A direção do
fluxo dire to é carac te rizada pelos ãngulos zenital (O,) e azimutal (<p,)
solares , enquanto qu e a direção do fluxo difuso é carac te rizada pela sua
distribuição angular.
Há de se considerar aind a que um dasse I é constituído por muitos
eleme nt os da própria vegetação, como folh as, galhos , fru tos, flore s etc.
Um fluxo de ra diaçã o incidente sobre qualquer um desses elementos
estará sujei to a dois processos: espa lhamento e absorção. O processo
de espalhame nto, por sua vez, pode ser dividido em dois subproces-
sos: refle xão e trans missão através do elemento . O destino do fluxo
ra dia nte in cidente sob re um desses eleme ntos é, en tão, dependente da s
características do flu xo (comprimentos de onda , ãngulo de incidência
e polarização) e das características físico-químicas desses mesmos
eleme ntos . Considera ndo a folha como um desses eleme ntos, Tucker e
Garrat (1977) propuse ram um modelo pa ra qu antificar essas dependên -
cia s. Segundo esse mo delo, a reflexão da ra diação elet romagnética por
pa rte de uma folh a é cons tituída por du as par te s: a refl exão especu-
lar, na qual o ãngulo de incidência é igual ao âng ulo de reflexão, e a
reflexão difusa. As qu antidades relativas dos fluxos diretos e difusos
dependem das carac terísticas do elemen to da vegeta ção e do fluxo da
radiação in cidente.
1.3 Folhasisoladasx dosséis
Quando foram apresentados os parãmetros influentes sobre a reflect ân-
cia es pectral de folh as, verificou-se que eles se referem às suas compo-
sições químicas , morfológicas, fisiol ógicas e um idade interna , e que
cada um deles exerce influência predom inante em pelo meno s três
regiões espectrais do espectro ópt ico (visível, infravermelho próximo e
infravermelho médio). Para o caso dos dosséis, verificou-se que ex istem
ainda outros fatores e/ou parâmetros, sendo eles de natureza geométrica
(iluminação e visada), es pectral (propriedades espectrais dos elemen-
tos da vege tação - princ ipal mente das folh as - e do solo) e biofísica (IAF
e DAF).
Como já menci onado anteriormente, a reflectância das folhas iso ladas é
es timada por meio do fatar de reflectância direcional-hemisférica, que,
por sua vez, é determinado por meio do uso de esferas integ ra doras. No
caso da reflectâ ncia espectral de dosséis, ela é es tima da pelo fator de
43
44
reflectância bidirecional, implicando o uso de sensores colocados em
suportes ou plataformas posicionados alguns metros acima dos dosséis ,
ou em aeron aves ou satélites. Apesar desse rigor conceituaI, quando
tratamo s de dados aerotransportados ou orbitais, comumente utiliza-
mos os termos "imagens reflectância aparente" ou "imagens reflectân-
cia de superfície"para ident ificar aquelas imagens que contêm os fatores
de reflectância bidirecional (aparente ou de superfície). Isso se verifica
não só nos termos co tidianos adotados pelos profissionais envolvidos
com as técnicas de se nsoriamento remoto, mas também em catálogos de
distribu ição de imagens de diferentes sen sores ao red or do mundo. Um
exemplo disso sã o os produtos gerados pelo sensor Moderate Resolution
lmaging Spec trorad iometer, colocado a bordo dos satélites Terra (EOS
AM) e Aqua (EOS PM), dentre eles o MOD 09, referente aos valores de
refl ect ãncia de superfície. Na realidade, trata-se de va lore s de fatores de
reflectãncia bidirec ional de superfície.
Retornando ent ão à comparação entre as propried ades espectrais de
uma folha isolada e de um dossel do qual ela faz parte, as formas das
curvas de fatores de reflectânci a são bastante semelhantes , conside-
rando um a mesma faixa espectral. De mane ira geral, con siderando a
região do visível, os fatores de reflectância direcional-hemi sférica de
uma folha isolada sã o mais elevados do que aqueles fat ores de reflec -
tãncia bidirecion al referentes ao dos sel do qual essa folha faz parte.
Assim , por exe