Comportamento espectral da soja

A coerência do comportamento espectral do alvo vegetação (cultura da soja), adquirido a partir das diferentes plataformas e normalização, foi obtida em comparação ao comportamento típico desse alvo dado pela literatura especializada. A reflectância da vegetação é condicionada por variáveis diversas, pode-se citar principalmente as propriedades físicas, químicas e biológicas da planta, as características do dossel, aspectos específicos do seu desenvolvimento, calendário agrícola, práticas de manejo, aspectos regionais, geometria de iluminação e visada (GALVÃO et al., 2011; BREUNIG et al., 2013).

A reflectância da soja tem relação com o desenvolvimento fenológico da cultura (GALVÃO et al., 2011). Verifica-se uma diminuição da reflectância para a faixa do visível (400 a 700 nm) do estádio V6 para o estádio R5 à medida que a concentração de clorofila diminui (Figura 33, 34 e 35). Nos apêndices 10 e 11 pode-se ver a média das assinaturas espectrais de todos os pontos amostrais da área de soja com idade de 85 dias após a semeadura (estádio V6) e 120 dias após a semeadura (estádio R5).

As variações na concentração da clorofila das folhas vegetais ocasiona variações na reflectância espectral principalmente na região do visível e tem sido objeto de investigação em diversas pesquisas relacionadas ao uso de sensoriamento remoto (JACQUEMOUD et al., 2009; LI et al., 2010) Essas variações de concentração deste principal pigmento das plantas são indicativos de estresses e do estádio fisiológico da planta (BLACKBURN, 2006).

Segundo Jensen (2009) existem duas regiões ótimas para a observação das características de absorção da radiação pelas clorofilas: 450 a 520 nm e 630 a 690 nm. Conforme apresentado (Figura 33, 34 e 35) os dois estádios de desenvolvimento da cultura apresentaram comportamento diferenciado, em especial nos intervalos de comprimento de onda de 550 nm (verde) e 750 nm (infravermelho próximo), o que era esperado, uma vez que, a reflectância na banda do verde é influenciada pelo teor de clorofila na planta e a banda do infra vermelho próximo pela reflectância da radiação eletromagnética por parte da estrutura celular da cultura.

Tabela 6 - Valores dos picos de reflectância observados com espectrorradiômetro de campo na assinatura espectral da cultura da soja nos estádios V6 e R5. Não Me Toque - RS Dias após a semeadura Pico 1 (500 a 600) nm Pico 2 (750 a 800) nm Pico 3 (850 a 950) nm Pico 4 (1050 a 1200) nm 85 557 769 939 1075 120 554 767 928 1070

Fonte: Dados do autor

Na região do visível, região de influência dos pigmentos, ocorre um pico de reflexão em 554nm (ver Tabela 6) que é responsável pela visualização da cultura na coloração verde. O maior valor de reflectância ocorreu exatamente no mesmo comprimento de onda para todas as leituras, pois não havia solo exposto. As maiores reflectância ocorreram em 557nm para a soja com 85 dias após a semeadura.

A maior reflectância na região do infravermelho próximo deve-se ao espalhamento da radiação solar no mesófilo, que ocorre devido à interação da radiação solar com a estrutura interna das folhas e a menor reflectância das folhas na região do visível deve-se à absorção da radiação solar pelos pigmentos presentes nos cloroplastos. a reflectância reduzida na faixa espectral do vermelho (660 nm) ocorre, pois, é a região que ocorre maior absorção de clorofila nas folhas (MOREIRA, 2007). Também ocorreram picos de reflectância em 769nm para a soja com 85 dias e 767 nm para 120 dias, como se pode observar na Figura 33.

A região que vai de 720nm a 1350nm aproximadamente que é caracterizada pelo espalhamento interno da radiação infravermelha pelo mesófilo esponjoso, os picos ocorreram em 939nm e 1075nm para a soja com 85 dias e 928nm e 1070 nm para a soja com 120 dias após a semeadura.

Na medida em que a cultura avança em seu ciclo de desenvolvimento, a quantidade de clorofila (pigmento) tende a diminuir, sendo os maiores valores observados para o estádio vegetativo e os menores para o estádio reprodutivo. Este comportamento influencia a reflectância da radiação eletromagnética representativa da banda do verde (550 nm).

Figura 33 - Resposta espectral da cultura da soja para os dois diferentes estádios de desenvolvimento estudados com uso de plataforma terrestre com espectrorradiômetro de campo. Não Me Toque - RS

Fonte: Autor (2019)

A Figura 34 mostra a assinatura espectral da cultura da soja obtido com o satélite Sentinel 2. No estádio vegetativo V6 da soja houve uma reflectância mais elevada no intervalo visível do espectro (faixas 2, 3 e 4) em relação ao estádio reprodutivo R5 porque neste momento as plantas estão geralmente menos verde e com menos clorofila, assim com menor absorção de energia e maior reflexão.

Ao comparar as assinaturas espectrais medidas com o espectrorradiômetro (Figura. 33) e aqueles obtidos a partir do imagens obtidas com Sentinel 2 (Figura 34) e

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Re flec tância Comprimento de onda (nm) V6 R5 BLUE GRE EN _RED NEA R INFR AR ED RED-ED GE

CLOROFILA ESTRUTURA DA FOLHA

vant (figura 35), que encontrado que as medições com o espectrorradiômetro mostrou um pico muito estreita a 550 nm que corresponde ao verde, enquanto que nas imagens, tais pico está fortemente detectado. Isto é devido à maior resolução espectral das leituras de um espectrofotómetro que toma valores a cada 1 nm; enquanto na plataforma orbital e suborbital, a reflectância no verde é representado por um único valor de uma gama do espectro cujo valor central é de 560 nm e a largura de banda é de 35 nm.

Figura 34 - Resposta espectral da cultura da soja para os dois diferentes estádios de desenvolvimento estudados obtidos da plataforma orbital do satélite Sentinel 2. Não Me Toque - RS

Fonte: Autor (2019)

Como foram coletados dados espectrais em lavouras de cultivo da cultura da soja durante dois estádios de desenvolvimento, foi possível evidenciar o crescimento vegetativo da cultura, comprovado principalmente, pelas respectivas refletâncias das bandas 4 (faixa do infravermelho próximo que responde sensivelmente ao vigor da vegetação). A reflectância do infravermelho próximo (750 nm) é influenciada pela estrutura celular da planta. Conforme a planta cresce e se desenvolve aumenta-se o número de folhas e ramos e, consequentemente, a quantidade de estrutura celular. No estádio reprodutivo inicial a planta apresenta seu máximo de estrutura celular ativa, o que

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 Re flec tância Comprimento de onda (nm) Sentinel 2 V6 Sentinel 2 R5 G R EEN RED NE A R IN FR A R ED RED -ED GE REGIÃO DO VISIVEL BLU E

resulta na máxima reflectância do infravermelho próximo. Conforme a planta avança seu estado de maturação, ocorre a morte de estruturas celulares e, com isso, queda na reflectância do infravermelho próximo. Este comportamento é evidenciado no comportamento espectral das três plataformas estudadas, onde o pico de reflectância do infravermelho próximo é obtido quando a cultura se encontra em estádio reprodutivo R5.

Figura 35 - Resposta espectral da cultura da soja para os dois diferentes estádios de desenvolvimento estudados obtidos da plataforma suborbital através de Vant. Não Me Toque - RS

Fonte: Autor (2019)

A fase R5 do ciclo fenológico da soja está a 30 dias antes da colheita, ou seja, um mês antes da colheita é possível estabelecer quando uma planta está sob estresse e/ou a produção de clorofila diminui, a falta de clorofila faz com que a planta absorva menor quantidade de energia nas respectivas bandas de absorção da clorofila. Estas plantas terão uma reflectância bem maior, principalmente no verde e no vermelho do espectro, fazendo com que apareçam amarelas ou cloróticas (JENSEN, 2007).

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 500 550 600 650 700 750 800 850 900 Re fl ec tância Comprimento de onda (nm) Vant V6 Vant R5 G R EEN RED NEAR INF RARED RED- EDG E

A posição da banda rededge se constitui um indicador significativo para discriminação de plantas, pois as plantas produzem alterações na absorção da radiação eletromagnética em comprimentos de onda específicos que podem estar relacionados com a posição rededge, A posição da banda rededge é o ponto de mudança repentina na reflectância de absorção do vermelho próximo-máximo ao início do aumento significativo na reflectância ao longo do limite (borda) do vermelho. Nessa região do vermelho, é encontrado o pico mais sensível ao stress da planta. (MORIYA, 2015; BRANDELERO, 2010).

Um problema significativo para o uso de imagens Sentinel-2 na área de estudo é a limitação causada pela nebulosidade que determina a disponibilidade de imagens de boa qualidade. Para o ano de 2018, as imagens de boa qualidade foram encontradas em 2 datas, o que torna difícil para realizar análises em outros momentos. No caso, é importante saber o status de uma cultura em períodos mais curtos, é necessário ter tecnologias complementares, tais como o uso de veículos aéreos não tripulados (VANT) com câmeras multiespectrais. Este aspecto deve ser investigado a fim de estabelecer o quanto de utilidade as imagens podem ter que avaliar a variabilidade espacial e temporal no interior de cada campo cultivado.

As curvas do comportamento espectral da cultura da soja foram muito semelhantes entre as plataformas de aquisição em relação a refletância, ou seja, baixaram os valores principalmente da banda 1 em relação a refletância aparente e aumentaram o valor da banda 4. Entretanto, apresentaram algumas diferenças nos valores em algumas bandas em relação aos dois estádios analisados, isso possivelmente ocorreu, devido aos procedimentos distintos que cada técnica utiliza com o objetivo de amenizar a influência da atmosfera nos dados de refletância.

4.3.2 Análise exploratória dos dados

A primeira etapa da análise dos dados consistiu na análise exploratória dos mesmos, realizada com o objetivo de observar o comportamento geral dos dados (forma, distribuição, tendência central). Este tipo de análise, embora desconsidere a estrutura de dependência espacial, é importante por permitir a identificação de dados atípicos que exercem algum tipo de influência nas análises geoestatísticas, como também para comparação entre resultados obtidos em outros trabalhos. Nos apêndices 13, 17 e 21 são apresentados os valores dos parâmetros estatísticos que descrevem a posição e a dispersão

dos índices de vegetação estudados: índice de vegetação da razão simples (RS); índice de vegetação da diferença normalizada (NDVI); índice de vegetação da diferença normalizada utilizando a banda do verde (GNDVI); índice de vegetação ajustado ao solo (SAVI); índice de vegetação ajustado para o solo otimizado (OSAVI); índice de vegetação da borda do vermelho (NDRE); índice de Realce da Vegetação (EVI); índice de diferença normalizada da água (NDWI); índice red edge position (REP).

Na análise da posição dos dados, os resultados dos valores dos índices de vegetação na plataforma de aquisição orbital (apêndice 4) apresentaram em sua maioria a tendência à assimetria negativa dos dados no período vegetativo da cultura da soja caracterizada como forte assimetria (≤ -1). Esses resultados demonstram que ocorre distribuição assimétrica à esquerda e frequência de valores acima da média. Os índices de vegetação NDWI e REP apresentaram assimetria positiva.

Os dados dos índices de vegetação na plataforma de aquisição orbital no período reprodutivo se apresentam em sua maioria para assimetria positiva, o que caracteriza tendência de elevada frequência de resultados com valores abaixo da média. Está assimetria é classificada como fraca, pois é maior que zero (0) e menor que um (1).

Na plataforma de aquisição suborbital se observa que a maioria apresenta assimetria positiva fraca (apêndice 6). No entanto, ocorre assimetria negativa no estádio vegetativo, o índice NDWI possui assimetria negativa forte e, o índice OSAVI tem assimetria negativa fraca. No estádio reprodutivo, os índices SAVI, NDWI e EVI possuem assimetria positiva caracterizada como fraca e os demais índices tem assimetria negativa.

A maioria dos índices na plataforma de aquisição terrestre possuem assimetria negativa, tanto no estádio vegetativo como no estádio reprodutivo da cultura da soja. Os índices NDWI e SR no estádio vegetativo e, EVI no estádio reprodutivo tem assimetria positiva fraca. O índice REP tem assimetria positiva forte em ambos os estádios da cultura da soja analisados.

Em relação a curtose, considerando todas as plataformas de aquisição dos índices de vegetação, observa-se que o achatamento da curva em função da distribuição é na maioria dos índices considerada como leptocúrtica, sendo assim curva mais afunilada com caudas pesadas e os valores concentrados ao redor da média.

Os valores dos índices estudados nas diferentes plataformas apresentaram em sua maioria valores de coeficiente de assimetria próxima de 0 e coeficiente de curtose abaixo de 3, tal como valores médios e medianos próximos. Dessa forma, confirma-se que os

dados não possuem assimetria acentuada. Este fato pode ser um indicativo de que as medidas de tendência central não são dominadas por valores atípicos na distribuição, ou seja, os atributos envolvidos no estudo estão se aproximando de uma distribuição normal.

Na análise da dispersão dos dados, observa-se que a maioria dos coeficientes de variação para os diferentes índices de vegetação se classifica como de baixa variação. O maior coeficiente de variação (CV%) observado foi de 58,06 para o índice NDRE no período vegetativo da plataforma suborbital e do índice de vegetação SR na plataforma suborbital e orbital, com 14,75 %, indicando pouca variação no conjunto de dados. Este valor de CV indicando uma baixa variabilidade das variáveis mostra que o manejo da cultura não apresenta grandes alterações ao longo da área, sendo essas alterações em função da divisão da área, dificultam o estabelecimento de correspondência com zonas de manejo onde, segundo Luchiari Junior et al. (2000), são áreas numa propriedade agrícola ou talhão que possuem variáveis com menor heterogeneidade.

A ocorrência de ótimas condições de desenvolvimento durante o ciclo da cultura pode ter determinado os resultados dos índices de vegetação, ocasionado baixa variabilidade entre leituras e a obtenção de índices correspondentes a essa condição de campo.

Através da análise exploratória de dados, gráfico Box Plot e utilizando os desvios- padrão como mecanismo de comparação usando os escores padronizados das variáveis (score Z) para a detecção de valores candidatos a outliers. Verifica-se que houve valores candidatos a outliers ou discrepantes (apêndices 12, 14 e 16). Fez-se a transformação de cada valor em desvios-padrão e quando os desvios são maiores que 2,5 se realizou a remoção de valores de dados para eventos anormais de ocorrência única a fim de que o estudo variográfico não seja comprometido.