Comportamento espectral de alvos agrícolas

A medida dos valores de reflectância de um corpo ou alvo ao longo do espectro eletromagnético é definida como o seu comportamento espectral. Os alvos agrícolas em geral apresentam respostas espectrais características e distintas, devido sua constituição química, física e biológica (Sabins Junior, 1987).

O sistema NIRS (Near-Infrared Reflectance Spectroscopy) foi inicialmente desenvolvido na década de 70 para determinar a umidade de grãos (Ben-Gera & Norris,

1968) e atualmente é utilizado para vários fins como determinação da qualidade de grãos e forragens, identificação e caracterização de produtos químicos e farmacêuticos (Chang et al., 2001) e avaliações da qualidade tecnológica de produtos agrícolas como o caldo da cana-de-açúcar, apesar de seu uso ser restrito e limitado por questões operacionais e custo dos equipamentos (Fernandes & Souza, 1997).

A utilização do espectro eletromagnético, na faixa do visível ao infravermelho, vem se mostrando eficaz, pois permite analisar vários constituintes de um material ao mesmo tempo, em uma análise rápida, de baixo custo e com pouca ou nenhuma preparação das amostras (Chang et al., 2001). Estes autores concluíram que a tecnologia NIRS - PCR (Near-Infra Red Reflectance Spectroscopy – Principal Component Regression) é uma ferramenta com acurácia suficiente para levantamentos pedológicos e avaliação de ambientes de produção, com grande potencial para o manejo localizado do solo e AP.

Os diferentes solos também apresentam determinados comportamentos e feições espectrais devido sua constituição mineralógica, teor de matéria orgânica, teores de óxidos de Fe e Mn e umidade. A denominada “linha do solo” descrita por Baret et al. (1993) e estudada por diversos autores (Galvão & Vitorello, 1998; Gitelson et al., 2002; Huete et al., 1985 e Huete, 1989) tem se mostrado eficaz na avaliação de solos. Segundo os autores, os dados das bandas 4 e 3 do TM de um solo, sem interferência da vegetação, dispõem-se ao longo de uma linha imaginária a 45º do eixo, dependendo de suas características químicas e mineralógicas (textura, cor, brilho rugosidade, teores de matéria orgânica e óxidos de Fe e Mn).

A energia refletida pelos alvos terrestres representa a média da energia refletida por todos os elementos que estão na superfície de forma que, se as culturas não estiverem cobrindo totalmente a superfície, maior será a contribuição do solo como parte constituinte na radiância detectada pelo sensor (Rondeaux et al., 1996; Todd & Hoffer, 1998).

O espectro de reflectância de um dossel vegetal é influenciado por diversos fatores como a área foliar, a porcentagem de cobertura do solo, a reflectância do solo e as propriedades ópticas das folhas (Machado et al., 1985). Dessa forma, as diferenças

que ocorrem nestes fatores podem estar relacionadas com o ambiente e/ou com as próprias culturas (Ponzoni, 2001). Outros fatores influenciam nas propriedades espectrais das folhas como deficiências minerais (Al-Abbas et al., 1974; Chapelle et al., 1992; Mariotti et al., 1996 e Ponzoni & Gonçalves, 1999), stress hídrico (Masoni et al., 1993 e Wiegand et al.,1996) e senescência das folhas (Masoni et al., 1994 e Nutter et al., 2000).

Formaggio & Epiphanio (1988) afirmam que o conhecimento das relações existentes entre os parâmetros físicos das culturas (IAF, fitomassa, cobertura do solo e vigor vegetativo) e seu comportamento espectral é um passo importante para se avaliar o desempenho e desenvolvimento das culturas utilizando modelos de dados de sensoriamento remoto, como os índices de vegetação que serão discutidos posteriormente. Na Figura 4 são apresentadas as curvas espectrais das culturas do feijão e do trigo, em diferentes estágios de desenvolvimento.

A B

Figura 4 - Curvas espectrais de feijão (A) e trigo (B), com diferentes idades. (Fonte: Formaggio & Epiphanio, 1988)

Segundo Datt (1999), os sinais de reflectância de folhas verdes são resultado do espalhamento e da absorção da radiação pela folha. O espalhamento é causado por imperfeições ópticas da superfície das folhas e pela estrutura celular interna, incluindo tamanho e formato das células e organelas e o espaço ocupado pelo ar entre as células. A absorção desta radiação é causada pelos pigmentos fotossintetizantes nos comprimentos de onda do visível, pela água e outros compostos bioquímicos como a celulose/lignina, nos comprimentos de onda do infravermelho.

As pesquisas também revelam que através da espectrometria de laboratório, algumas feições de absorção específicas podem ser captadas e então correlacionadas a compostos orgânicos presentes nas folhas como celulose, lignina, proteínas, açúcares e amido (Curran, 1989; Curran et al., 2001; Fourty & Baret, 1998; Kokaly & Clark, 1999).

A presença de água nos tecidos vegetais vivos é o principal responsável pelo mascaramento das feições de absorção, quando se trata de sensores de bandas largas, ressaltando-se a importância de avaliações hiperespectrais com radiômetros portáteis. A absorção é mais pronunciada abaixo de 400 nm e acima de 2.400 nm e, entre estes valores, a absorção é baixa (Clevers, 1999; Datt, 1999). Em termos pontuais, Ponzoni (2001) ressalta que a absorção da radiação devido a água líquida ocorre suavemente em 1100 nm e fortemente em 1450, 1950, 2700 e 6300 nm, ou seja, na região do infravermelho de ondas curtas (SWIR).

A mais promissora ferramenta para detectar stresses na vegetação é a avaliação do pico de reflectância no comprimento de onda que divide o espectro do visível e do infravermelho próximo (670–780 nm), a feição de absorção chamada “red-edge” (Horler et al., 1983; Curran et al., 1991). Segundo estes autores, o pico de reflectância de uma folha ocorre em comprimentos de onda de 680 a 740 nm e, a posição desta banda, pode ser alterada para comprimentos de onda menores (visível 400–700 nm) com a mudança do conteúdo de clorofilas e carotenóides (Chapelle et al., 1992; Gitelson & Merzliak, 1997). Portanto, qualquer alteração fisiológica nas plantas interfere na posição da “red edge” e, quando a vegetação está sob algum tipo de stress, esta posição é alterada.

Clevers (1999) e Datt (1999) ressaltam que feições compreendidas na chamada “red-edge” (aproximadamente 717 nm) não são cobertas por sensores remotos orbitais e aerotransportados, devendo ser calibrado por sensores de maior resolução espectral.

Goel & Strebel (1984) ressaltam que a arquitetura foliar tem uma grande influencia nas respostas espectrais captadas pelos sensores remotos, uma vez que a distribuição foliar dos dosséis afeta qualitativamente a reflectância da vegetação. Os autores dividem as plantas segundo os ângulos das folhas em relação ao solo (arquitetura foliar) em grupos a saber: planófilas (25 a 30 º), plagiófilas (30 a 45º), extremófilas (45 a 60 º) e erectófilas (>65º).

Thenkabail et al. (2002) ressaltam que vegetais de arquitetura foliar planófila como as leguminosas, contribuem significativamente em maior reflectância no infravermelho próximo e maior absortância no vermelho visível em relação à vegetais de arquitetura erectófila como as gramíneas.

No caso específico da cana-de-açúcar as diferenças espectrais entre os dosséis estão relacionadas a variedades, arquitetura foliar, absorção de radiação fotossinteticamente ativa, diferenças em biomassa além da concentração de água e de nutrientes nas folhas (Joaquim, 1998).