Imagens Multiespectral ASTER e Hiperespectral ProSpecTIR-VS

Imagem Mutiespectral ASTER

A combinação dos pares possíveis de todas as bandas geradas a partir da transformação MNF plotadas em um gráfico 2D (2D scatter plot) possibilitou a seleção de quatro espectros de referência, na área detalhada, conforme apresentado na Figura 3.13. Estes espectros de referência representam uma classe de solo e três classes de vegetação. Todos foram utilizados para a classificação supervisionada da imagem multiespectral.

O espectro de referência que representa os solos da área possui baixa refletância na banda 1 (0,556 µm) e alta refletância na banda 2 (0,661 µm), regiões características de absorção do ferro férrico e utilizadas para a identificação de solos sob o efeito de bleaching em áreas portadoras de micro e macroexsudações de óleo (Fu et

al., 2007).

Os espectros de referência de vegetação apresentam uma forte absorção na banda 2 (0,661 µm) devido à presença de clorofilas, variando de intensidade entre as classes de vegetação, indicando maior presença destes pigmentos na vegetação densa. A região do NIR demonstra um aumento de refletância da classe intermediária em relação à densa, possivelmente associada a uma diminuição do conteúdo de água foliar e/ou danos na estrutura do dossel. A classe de vegetação rala apresenta a menor intensidade de refletância, sugerindo colapso/ausência da estrutura do dossel das árvores de eucalipto e exposição das gramíneas que se desenvolvem sob as árvores (Figura 3.14).

No SWIR, as classes intermediária e rala exibem um aumento geral da refletância. Esse fenômeno pode estar relacionado tanto à perda de água foliar e/ou a maior área de exposição das gramíneas, que possibilitam um maior espalhamento da energia refletida nesta região espectral, comparado a um dossel fechado (como o dos eucaliptos).

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O resultado da classificação SAM aplicado à imagem ASTER é apresentado na Figura 3.15. As interpretações foram feitas buscando verificar a variação do estado da vegetação dentro de cada talhão, pois há diferenças nas datas de plantio que podem levar a interpretações duvidosas entre o estresse induzido pelos gases e o envelhecimento natural da vegetação. Nesta imagem, três talhões apresentaram variações na classificação da vegetação, possivelmente ocasionadas pela presença das anomalias geofísicas e/ou geoquímicas (Figura 3.15). O solo exposto observado na imagem está restrito às áreas de estradas entre os talhões, o que impede uma análise mais precisa a partir de dados ASTER.

Figura 3.13. Curvas espectrais dos espectros de referência selecionados na imagem ASTER a partir do 2D scatter plot.

Figura 3.14. Aspecto local da vegetação em locais com a ausência do dossel formado pelas árvores de eucalipto.

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Nos demais talhões onde foram registradas anomalias geofísicas, não foi possível analisar o comportamento da vegetação devido à ausência de árvores estabelecidas à época do imageamento (Figura 3.15). Nestas situações, a vegetação foi classificada como vegetação rala, a qual é formada por uma mistura de solo exposto com serrapilheira2 e/ou com mudas em estágio inicial de desenvolvimento, além de gramíneas que se desenvolvem nas áreas dos talhões (Figura 3.16).

Figura 3.15. Imagem ASTER: resultado da classificação SAM para as áreas norte (a) e sul (b) subposta aos limites dos talhões de plantio dos eucaliptos (realçados por linhas duplas).

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Toda a matéria vegetal presente no solo da floresta é denominada de liteira, serapilheira, serrapilheira ou manta morta, que é constituída por folhas, sementes, flores, frutos, gravetos (fonte:

http://www.sbpcnet.org.br/livro/62ra/resumos/resumos/2568.htm) b HC_TOTAL ^ _ Background ^ _ Anomalia de 1°ordem ^ _ Anomalia de 2°ordem ^ _ Anomalia de 3°ordem Legenda Classificação SAM Vegetação densa Vegetação intermediária Vegetação rala Solo Anomalias geofísicas a

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Figura 3.16. Aspecto visual dos talhões (em jul/2011) onde há (a) mistura entre solos e mudas em estágio inicial de desenvolvimento e (b) gramíneas que se desenvolvem nas áreas dos talhões, em contraste com (c) locais onde as árvores estão bem estabelecidas, formando um dossel vegetativo representativo do plantio dos eucaliptos.

Imagem Hiperespectral ProSpecTIR-VS

A seleção dos espectros de referência a partir dos dados ProSpecTIR-VS, para posterior classificação da imagem, contemplou 37 curvas espectrais para vegetação e 16 para o solo. Os resultados da aplicação da CR, APC e análise de agrupamentos possibilitaram a organização dos espectros em três grupos de vegetação (densa, intermediária e rala), além da identificação de variações na concentração de óxidos/hidróxidos de ferro e caulinita.

A primeira componente da APC dos espectros de vegetação é responsável por 96% da variância das amostras (Figura 3.17a). Na PC1, os espectros são separados de acordo com a profundidade das feições de absorção dos pigmentos foliares, cujos picos máximos situam-se em aproximadamente 0,507 µm e 0,682 µm (Figura 3.17b). As três classes identificadas a partir da análise de agrupamentos foram contrapostas ao gráfico dos scores da PC1 x PC2 (Figura 3.17a). É possível observar que a separação das classes foi determinada pela variação da intensidade de refletância da classe rala até a classe densa, em ambos os métodos de análise estatística descritiva.

A Figura 3.18 apresenta a curva espectral média das três classes de vegetação. No VIS e no SWIR há um aumento geral da refletância da classe densa até a classe rala, como também foi observado nos espectros obtidos a partir das imagens ASTER. No NIR, a menor influência do dossel sadio das árvores de eucalipto e maior exposição

b

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das gramíneas resultaram em um decréscimo de refletância, sugerindo mudanças na paisagem que, adicionalmente, podem auxiliar na identificação de áreas submetidas a condições estressantes.

A Figura 3.19 apresenta os espectros de refletância (CR) da região analisada (0,43-0,7 µm). As classes de vegetação são todas estatisticamente diferentes em praticamente todo o intervalo considerado (0,434-0,525 µm, 0,539-0,558 µm e 0,567-0,7 nm) (teste t, p ≤ 0.05).

Figura 3.17. (a) Gráfico dos scores da PC1 x PC2 contraposto aos grupos definidos pela análise de agrupamentos e (b) gráfico dos loadings da PC1 indicando a contribuição positiva das variáveis em todo o intervalo analisado.

Figura 3.18. Espectros de refletância representativos de cada classe de vegetação, gerados a partir da média entre os espectros de referência de cada grupo.

Rala Intermediária Densa 507 nm 682 nm b a

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Figura 3.19. Espectros de refletância (CR) representativos de cada classe de vegetação. Média espectral entre os espectros de referência de cada grupo. Detalhe na região entre 0,43-0,7 µm.

O resultado da APC dos espectros de solos na região entre 0,425 e 1,0 µm, integrada ao resultado da análise de agrupamentos, é apresentado na Figura 3.20a. A primeira componente responde por 91% da variância entre as amostras e é dominada pela feição de absorção centrada em ~0,493 µm (Figura 3.20b), próximas da feição de absorção da goetita. Os grupos foram diferenciados pela profundidade da absorção neste comprimento de onda, indicando variações no conteúdo deste mineral nos solos analisados. O ponto isolado na Figura 3.20a, apesar da apresentar um score alto na PC1, próximo ao dos solos com baixo teor de ferro, também é influenciado pela segunda componente, dominada pela feição do ferro férrico em 0,53 µm (atribuído à hematita) (Figura 3.21a). Esta feição, no entanto, não é diagnóstica para separação dos solos, pois foi encontrada somente em um pequeno número de amostras.

Três principais intervalos espectrais apresentaram resultados estatisticamente significativos (teste t, p ≤ 0.05): 0,434-0,6 µm, 0,749-0,832 µm e 0,875-0,939 µm. O primeiro foi considerado o mais importante devido ao maior gradiente de variação entre cada grupo (Figura 3.21b). A partir da média espectral entre os espectros de referência de cada grupo, foi possível definir a posição de absorção máxima em 0,485 µm e 0,48 µm para os solos com maior e menor teor de ferro, respectivamente, mais próximas da feição de absorção da goetita.

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Figura 3.20. (a) Gráfico dos scores da PC1 x PC2 contraposto aos grupos definidos pela análise de agrupamentos. (b) Gráfico dos loadings da PC1 indicando a alta contribuição positiva da feição de absorção da goetita (0,493 µm) na separação dos agrupamentos.

Figura 3.21. (a) Gráfico dos loadings da PC2, indicando a alta contribuição positiva da feição de absorção da hematita em 0,53 µm. (b) Espectros médios (CR) de cada grupo.

A caulinita também foi separada em dois grupos de acordo com a APC e análise de agrupamentos (Figura 3.22a). Devido ao curto intervalo espectral analisado (2,124 a 2,224 µm), a PC1 responde por 99% da variância entre as amostras e todas as variáveis são positivamente correlacionadas. As feições de absorção máxima da caulinita são centradas em 2,171 e 2,202 nm (Figura 3.22b). A diferença entre os dois grupos é definida pela profundidade das feições de absorção (Figura 3.23), sendo estatisticamente diferentes (teste t, p ≤ 0.05) em todo o intervalo analisado.

Mais ferro Menos ferro b a b a 0,493 µm 0,530 µm

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Figura 3.22. (a) Gráfico dos scores da PC1 x PC2 contraposto aos grupos definidos pela análise de agrupamentos. (b) Gráfico dos loadings da PC1.

Figura 3.23. Espectros de refletância (CR) representativos de cada grupo para a caulinita (i.e., média espectral entre os espectros de referência da cada grupo).

O resultado da classificação SAM é apresentado na Figura 3.24. A classe de vegetação densa ocorre predominantemente em um talhão da área sul (Figura 3.24c e 3.24d), onde parece haver uma variação lateral para a classe intermediária próxima às anomalias geofísicas e químicas, tal como observado na imagem ASTER (Figura 3.15b). Das duas áreas analisadas (norte e sul), este é o único talhão onde as árvores

b a 2,171 µm 2,202 µm Mais caulinita Menos caulinita 2,157 µm 2,2 µm

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de eucalipto encontravam-se bem desenvolvidas na época do imageamento hiperespectral, o que permitiu a análise do efeito dos gases na vegetação.

Áreas de cerrado (Figura 3.24) apresentam pixels pertencentes à classe intermediária e rala. Tal resposta pode ser explicada pela própria definição de cerrado. Conforme Souza (1973), o cerrado é formado por árvores espaçadas, retorcidas, baixas, com ramos tortuosos e cascas grossas, rimosas ou gretadas. Por entre a parte arbórea, formando o fundo, há um povoamento mais ou menos denso de gramíneas e plantas campestres. Desta forma, o dossel destas áreas apresenta uma forte contribuição, tanto dos troncos das árvores, como das gramíneas e solos presentes nestes locais (Figura 3.25a). Nos demais talhões, onde a vegetação não havia sido estabelecida à época do imageamento ou as mudas plantadas, os pixels foram classificados como vegetação rala (Figura 3.25b).

Os solos da área norte são formados, em sua maioria, por uma maior quantidade de caulinita e de goetita (Figura 3.24a e 3.24b). A área sul, por sua vez, apresenta solos com menor quantidade de ambos os materiais (Figura 3.24c e 3.24d). Diferentemente dos resultados obtidos a partir da classificação das imagens ASTER, nas imagens hiperespectrais os pixels classificados como solos não estão restritos ás áreas de estradas entre os talhões. As médias espectrais dos espectros de referência da área norte e sul são apresentados na Figura 3.26.

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Figura 3.24. Imagem ProSpecTIR-VS: resultado da classificação SAM para as áreas norte (a) caulinita, (b) óxidos de ferro e sul (c) caulinita e (d) óxidos de ferro.

Cerrado

a) Área norte: + K b) Área norte: + Fe

c) Área sul: - K d) Área sul: -Fe

Cerrado Cerrado

Cerrado Zoneamento na vegetação

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Figura 3.25. (a) Áreas típicas de cerrado, onde há o predomínio de árvores espaçadas e baixas, em contraste com a vegetação densa e estabelecida de eucaliptos (ao fundo). (b) Área de plantio de eucaliptos com mudas em estágio inicial de desenvolvimento.

Figura 3.26. Curva espectral média dos espectros de referência extraídos de dados ProSpecTIR de cada área estudada (norte e sul), com indicação das duas feições de absorção responsáveis pela separação dos grupos.

b a

Óxidos de Ferro

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As imagens resultantes da aplicação dos índices espectrais para o único talhão onde a vegetação estava desenvolvida à época do imageamento estão apresentadas na Figura 3.27 juntamente com a anomalia geoquímica de 3ª ordem que ocorre neste talhão.

O índice para clorofila a (Achl) indicou a presença de anomalias pontuais na vegetação, melhor observadas na imagem em tons de cinza. A imagem resultante deste índice, colorida artificialmente e com aplicação de um filtro de média 3x3, realçou a variação lateral no estado de saúde das árvores de eucalipto.

Os índices MSI, SIPI e CSe apresentados individualmente e agrupados em uma composição ternária R(CSe)G(MSI)B(SIPI) também reforçaram a variação no estado de saúde da vegetação, onde a vegetação estressada ocorre próximas à anomalia geoquímica.

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Figura 3.27. Anomalia geoquímica de 3ª ordem no talhão da área sul sobreposta aos resultados dos índices hiperespectrais.

45 3.5.4. Espectroscopia de Refletância de Campo

Para a vegetação, a análise dos espectros foliares pela APC e agrupamentos resultou em três grupos distintos (Figura 3.28a) e com significado estatístico entre 0,43- 0,7 µm (teste t, p ≤ 0.05), assim denominados: vegetação sadia, intermediária e estressada. Os grupos foram separados de acordo com a intensidade de refletância em todo o intervalo analisado, cabendo à região acima de 0,485 µm, os maiores pesos na separação das amostras (Figura 3.28b). As médias entre os espectros de cada classe são apresentadas na Figura 3.29. Com exceção da região do VIS, todas as três classes são bastante similares entre si.

Figura 3.28. (a) Gráfico dos scores da PC1 x PC2 contraposto aos grupos definidos pela análise de agrupamentos. (b) Gráfico dos loadings da PC1 indicando a contribuição positiva de toda a região do VIS na separação das amostras, cabendo ao intervalo a partir de 0,485 µm, os maiores pesos.

Figura 3.29. (a) Média dos espectros foliares dos grupos de vegetação identificados pela análise de agrupamento e APC, partindo de exemplares saudáveis até os mais estressados. (b) Detalhe na região do VIS (0,4 – 0,7 µm), utilizada para separação das amostras.

a b

0,485 µm Intermediária

Estressada Sadia

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A Figura 3.30 apresenta os resultados obtidos para a análise dos óxidos/hidróxidos de ferro. As amostras foram separadas em dois grupos estatisticamente diferentes (teste t, p ≤ 0.05) até 0,586 µm e após 0,792 µm. Nestas regiões, predominam as feições de absorção da goetita, cujos picos de máxima absorção em ~ 0,489 µm e ~0,896 µm possuem os maiores pesos na separação das amostras em cada feição de absorção (Figura 3.30b).

Figura 3.30. (a) Gráfico dos scores da PC1 x PC2 contraposto aos grupos definidos pela análise de agrupamentos. (b) Gráfico dos loadings da PC1 indicando a contribuição positiva das feições de absorção da goetita na separação dos agrupamentos.

A média espectral entre os membros de cada grupo está apresentada na Figura 3.31. A posição das feições de absorção da goetita nos espectros de refletância (CR) estão centradas em ~0,489 µm e ~0,904 µm para os solos que apresentam os maiores teores de ferro; e em ~0,493 µm para os solos com menores teores de ferro. Também pode-se observar a diminuição do gradiente de refletância no VIS para os solos com menor teor de ferro.

a b

Mais ferro

Menos ferro

0,489 µm

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Figura 3.31. Curva espectral dos grupos gerados pela análise de agrupamentos para o ferro. As setas pretas indicam as duas regiões de máxima absorção da goetita em ~0,489 µm e ~0,904 µm para os solos com maior teor de ferro e em ~0,493 µm para os solos com menos ferro.

A Figura 3.32 apresenta o resultado obtido na classificação para a caulinita. Os espectros medidos in situ foram separados em dois grupos distintos, que apesar de serem muito semelhantes (Figura 3.33), são estatisticamente distintos a partir de 2,133 µm (teste t, p ≤ 0.05). De acordo com o gráfico dos loadings da PC1, que concentra 98% da variância entre as amostras, a feição de absorção da caulinita em 2,207 µm é a principal responsável pela separação das amostras. A ausência da feição dupla bem definida nesta região indica uma caulinita de baixa cristalinidade.

Figura 3.32. (a) Gráfico dos scores da PC1 x PC2 contraposto aos grupos definidos pela análise de agrupamentos. (b) Gráfico dos loadings da PC1 indicando a contribuição positiva das feições de absorção da caulinita, com pico de máxima absorção em 2,207 µm.

0,904 µm 0,493 µm 0,489 µm Menos caulinita Mais caulinita 2,207 µm a b

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Figura 3.33. Curva espectral dos grupos gerados pela análise de agrupamentos e PC para a caulinita.

Os pontos amostrados no campo (vegetação e solos) foram coloridos de acordo com os resultados obtidos a partir da APC e análise de agrupamentos, e superpostos à imagem hiperespectral, juntamente com as anomalias geoquímicas e geofísicas (Figura 3.34 e 3.35). Em ambas as figuras, os pontos foram coloridos com o intuito de que as cores vermelhas sejam indicativas de áreas alteradas pela ação dos HCs gasosos, ou seja, vegetação estressada, solos com maior conteúdo de argilas e menor conteúdo de ferro (bleaching).

Na área norte (Figura 3.34), os espectros de vegetação próximos à anomalia geoquímica e geofísica pertencem, na sua maioria, aos grupos de vegetação intermediária e estressada (Figura 3.34a), enquanto os solos são caracterizados por maior teor de caulinita e menor teor de hidróxidos de ferro (Figura 3.34b e 3.34c, respectivamente), em acordo com o modelo teórico de alterações induzidas pelas exsudações de HCs.

Na área sul (Figura 3.35) pode-se observar que próximo à anomalia geoquímica de 3ª ordem e das anomalias geofísicas correspondentes ocorrem amostras de vegetação das classes intermediária, a leste, e estressada, a oeste (Figura 3.35a). Distalmente dispostos em relação a estas anomalias, porém no mesmo talhão, há dois pontos de vegetação sadia. Essa situação sugere que a variação no estado da vegetação está relacionada às anomalias geoquímicas, conforme observado nas

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análises a partir das imagens de satélite. As demais amostras de vegetação da área sul foram classificadas como vegetação saudável, exceto um ponto posicionado sobre uma anomalia geofísica e destacado na Figura 3.35a.

Os solos na área sul possuem menor teor de caulinita (Figura 3.35b). Da mesma forma, há o predomínio de solos com pouco teor de hidróxidos de ferro (Figura 3.35c). Na área sul, diferente do que ocorre na área norte, as assinaturas espectrais não corroboram com o modelo teórico das alterações induzidas pelas exsudações de HCs.

Figura 3.34. Área norte - Pontos de análise espectral (a) da vegetação, (b) caulinita e (c) goetita. Nos três mapas é possível perceber que próximo das anomalias geoquímicas e geofísicas há o predomínio de uma vegetação intermediária a estressada, de solos com maior conteúdo de caulinita e menor de hidróxidos de ferro. A imagem de background corresponde a uma composição colorida cor real das bandas VIS do ProSpecTIR-VS.

a. Vegetação b. Caulinita C. Goetita

Grupos - Ferro # * 0 - mais # * 1 - menos Grupos - Argilas # * 0 - menos # * 1 - mais HC_TOTAL ^ _ Background ^ _ Anomalia de 1°ordem ^ _ Anomalia de 2°ordem ^ _ Anomalia de 3°ordem Legenda Anomalias geofísicas # * 0 - sadia # * 1 - intermediária # * 2 - estressada Grupos - Vegetação

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Figura 3.35. Área Sul - Pontos de análise espectral (a) demonstrando o comportamento da vegetação próximo às áreas de anomalias geofísicas e químicas realçadas pela elipse amarela; (b) solos - caulinita e (c) solos - goetita, demonstrando o predomínio de solos menos argilosos e com menor teor de ferro na área sul. A imagem de background corresponde a uma composição colorida cor real das bandas VIS do ProSpecTIR- VS.

a - Vegetação b - Caulinita

51 3.6. DISCUSSÕES

A partir da análise dos resultados acima descritos, observa-se que os dados de

geofísica aérea, na área em questão, não apresentam anomalias correlacionáveis às

anomalias geoquímicas de gás. Tal fato pode ser explicado pela localização das linhas do levantamento aéreo e do intervalo de amostragem (500 metros) utilizado. Na medida em que determinações radiométricas são realizadas com um maior nível de detalhamento, ou seja, com medidas de campo e menor intervalo de amostragem, as anomalias geofísicas (terrestres) são prontamente detectadas e mostram correlação espacial às anomalias geoquímicas de 1ª, 2ª e 3ª ordem.

Para a análise da vegetação, foi necessário considerar que a área de estudo constitui uma plantação de eucaliptos, onde cada talhão possui uma data de plantio diferente, impedindo a análise integrada do comportamento espectral das árvores (Figura 3.36). No entanto, as variações espectrais observadas dentro de cada talhão, tanto no nível de dossel, quanto no foliar, puderam ser correlacionadas com a presença de anomalias geoquímicas e geofísicas nos solos.

A aplicação dos índices espectrais voltados para a detecção de mudanças na estrutura do dossel e do conteúdo de água foliar demonstrou uma associação espacial das anomalias gasosas com o aumento no grau de estresse da vegetação. O emprego do índice da clorofila a realçou a ocorrência de anomalias pontuais na vegetação. Estas anomalias indicam os locais onde a vegetação não se desenvolveu (Figura 3.37a) ou apresentou perda das folhas (Figura 3.37b) em contraste com os locais onde a vegetação se desenvolveu normalmente (Figura 3.37c).

As anomalias pontuais realçadas pelo emprego do índice para clorofila a sugerem que as microexsudações de gás que ocorrem na área de estudo são pequenas e localizadas, como também são as borbulhas de gás que ocorrem ao longo do Rio Paracatu (Figura 3.38).

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Figura 3.36. Área Sul: Data de plantio das mudas de eucalipto e aspecto visual das árvores em julho/2011.

Figura 3.37. Aspecto da vegetação no talhão da área sul onde foi registrada a anomalia geoquímica de 3ª ordem.

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Figura 3.38. Borbulhas de gás no Rio Paracatu na época da cheia e em período de seca (Fonte: Souza Filho et al., 2008 e ANP).

As imagens hiperespectrais ProSpecTIR-VS, em face da sua altíssima resolução espacial, permitiu a classificação dos solos dentro de alguns talhões, principalmente