Processamento dos dados

6.2.3.1. Espectroscopia de refletância

Os espectros de refletância de solo e dossel obtidos no campo foram analisados para identificação das principais feições de absorção características desses alvos. A análise possibilitou o estabelecimento das regiões espectrais que melhor separam os solos contaminados com HCs e a vegetação em estado avançado de senescência.

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6.2.3.2. Espectroscopia de imageamento

As imagens hiperespectrais, originalmente em radiância, foram convertidas para refletância na superfície utilizando-se o algoritmo Atmospheric CORrection Now – ACORN. Os dados foram posteriormente calibrados com dados espectrais obtidos no campo, visando eliminar artefatos sutis ainda presentes na imagem, após a correção atmosférica. Esta calibração mais fina foi realizada com base nas medidas feitas em lonas de referencia (azul e preta) posicionadas no campo no momento do levantamento hiperespectral em 14/Maio, e através de espectros de solo obtidos simultaneamente ao imageamento posterior, de 17/Junho.

Para analisar o nível de senescência da vegetação, foi aplicada a razão R691/R758 (Carter, 1994), adaptada aos dados ProSpecTIR – VS. A clorofila apresenta uma fraca absorção em torno de 700 nm. Assim, qualquer alteração que comprometa a produção deste pigmento pode ser identificada com o aumento da refletância neste comprimento de onda para diferentes espécies vegetais (Carter e Miller, 1994). A clorofila não apresenta absorção significativa em 760 nm. A diminuição da refletância nesta região está associada à secagem das folhas e colapso do dossel das plantas estressadas ou em estado avançado de senescência, neste caso, das plantas nos lotes contaminados. O índice normalizado da vegetação (NDVI – Normalized Difference

Vegetation Index) também fornece informação sobre o nível de estresse da vegetação (De Asis &

Omasa, 2006; Chavez et al., 2014). Esse índice foi aplicado visando identificar as culturas em estágio mais avançado de senescência.

Para detectar o HC de forma direta foi aplicado o índice do hidrocarboneto (Hydrocarbon Index / Índice do Hidrocarboneto - IH) (Kühn et al., 2004). Este índice usa os dados de bandas em torno da absorção do HC centrada próxima a 1730 nm, gerando como resultado um valor individual que indica a presença do HC. O IH é calculado como segue:

onde e representam a refletância / comprimento de onda para pontos que definem a feição de absorção em 1730 nm, ou seja, 1705 nm, 1729 nm e 1741 nm, respectivamente.

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6.3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

6.3.1. Espectroscopia de refletância

6.3.1.1. Análise espectral

Os gráficos exibidos nas Figuras 6.4 e 6.5 apresentam curvas espectrais médias das cinco culturas vegetais e dos solos para os três tratamentos, em datas próximas à realização dos levantamentos hiperespectrais.

As medições do dossel têm interferência da atmosfera. Assim, os dados referentes aos comprimentos de onda entre 1350 nm – 1440 nm e 1790 nm – 1980 nm foram desconsiderados na análise dos espectros do dossel. Também foram desconsiderados os dados espectrais em comprimentos de onda superiores a 2450 nm, devido ao ruído excessivo verificado nos espectros. Embora os dados espectrais dos solos tenham sido obtidos por sonda de contato e, portanto, sem interferência da atmosfera, os comprimentos de onda supracitados também foram desconsiderados na análise, visando tornar a comparação entre os espectros equivalentes.

Ao se comparar a refletância das cinco culturas no dia 14/Maio, observa-se que a soja perene, a braquiária e a cana de açúcar, nos três tratamentos, e o milho no CTR e DSL, apresentam curvas espectrais típicas de vegetação sadia e densa. A vegetação sadia é caracterizada por bandas de absorção nos comprimentos de onda azul e vermelho (~460 nm e ~650 nm) devidas aos pigmentos foliares. Também se observa duas bandas de absorção em ~967 nm e ~1191 nm, relacionadas à água intrafoliar.

Os espectros de refletância das mesmas cinco culturas em 29/Maio indicam que a cana de açúcar dos três tratamentos, a soja perene do CTR e do DSL, e a braquiária do CTR, ainda apresentam curvas espectrais de vegetação sadia.

Em 14/Maio, o espectro de refletância do milho do tratamento GSL apresenta curva espectral de vegetação estressada. Na vegetação estressada ou em estado avançado de senescência, a absorção no vermelho mostra diminuição devido à perda de clorofila. Adicionalmente, as feições relacionadas à celulose e lignina (em 1728 nm, 1769 nm, 2276 nm, 2311 nm, 2349 nm e 2416 nm) tornam-se mais evidentes. Na mesma data, a cultura do feijão, nos três tratamentos, mostra avançado estado de senescência e seu comportamento espectral equivale ao de uma folha seca, com uma gradiente ascendente entre os comprimentos de onda do.

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Figura 6.4 Espectros de refletância médios dos dosséis das cinco culturas e dos solos para os três tratamentos (Controle - CTR, Diesel - DSL, Gasolina - GSL) em 14 de Maio de 2010.

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Figura 6.5 Espectros de refletância médios dos dosséis das cinco culturas e os solos para os três tratamentos (Controle - CTR, Diesel - DSL, Gasolina - GSL) em 29 de Maio de 2010.

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visível azul ao vermelho (Sanches et. al., 2013a). O avanço na senescência implica em uma maior exposição do solo e sua mistura na resposta espectral do dossel.

Em 29/Maio, a braquiária do DSL e da GSL e o milho do CTR e do DSL exibem espectros de vegetação estressada. A soja perene e o milho do tratamento GSL, e o feijão dos três tratamentos, apresentam um comportamento de vegetação em estado avançado de senescência.

Os espectros de refletância dos solos mostram que os mesmos apresentam feições de hematita (525 nm e 889 nm), gibbsita (2269 nm) e caulinita (2181 nm, 2206 nm, 2313 nm, 2354 nm, 2382 nm). No solo contaminado com DSL, as feições da gibbsita em 2269 nm, e da caulinita em 2313 nm e 2354 nm, são mais profundas, e encontram-se ligeiramente deslocadas para 2275 nm, 2310 nm e 2350 nm, respectivamente. Além disso, estes solos exibem duas feições de absorção em 1725 nm e 1760 nm. Cabe ressaltar que estas feições são mais profundas no solo com maior concentração de diesel, ou seja, o solo coletado no dia 29 de Maio (12,7 L/m3). Como a única diferença entre o tratamento CTR dos demais é a ausência do contaminante, conclui-se que a variação espectral observada entre as medições do tratamento DSL é consequência da presença do HC. Por outro lado, o solo do tratamento GSL não apresenta variações espectrais que permitam separá-lo do solo CTR. Assim, verifica-se que a detecção direta da GSL no solo exposto não é aparentemente possível.

6.3.1.2. Análise comparativa entre solos e vegetação em estágio avançado de senescência

Com o intuito de realçar as feições espectrais e eliminar ou reduzir os efeitos não relacionados com as propriedades de interesse dos alvos analisados, transformações espectrais, como a remoção do contínuo, são frequentemente utilizadas nas análises de dados. A remoção do contínuo normaliza o espectro de refletância e isola as feições de absorção de forma a permitir a comparação de bandas de absorção sob uma base comum (Kokaly, 2001).

A remoção do contínuo foi aplicada aos espectros do feijão e do solo em seis intervalos espectrais entre 399 – 750 nm, 756 – 1085 nm, 1116 – 1284 nm, 1665 – 1789 nm, 2138 – 2233 nm e 2236 – 2436 nm. Esses intervalos compreendem as principais bandas de absorção dos espectros da vegetação e do solo, como pode ser observado nas Figuras 6.6. e 6.7.

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Figura 6.6 Espectros de dossel do feijão e do solo contaminado com DSL, mostrando os seis intervalos espectrais utilizados na análise com contínuo removido. Dados espectrais levantados em 14 de Maio de 2010.

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Figura 6.7 Espectros de dossel do feijão e do solo contaminado com DSL, mostrando os seis intervalos espectrais utilizados na análise com contínuo removido. Dados espectrais levantados em 29 de Maio de 2010.

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A discriminação entre o solo exposto e a vegetação estressada e senescente foi possível com base nas feições de absorção centradas entre 756 – 1085 nm, 1116 – 1284 nm e 2318 – 2233 nm. No intervalo entre 756 – 1085 nm, a discriminação entre os alvos de interesse foi devida à presença de hematita no solo, que gera uma absorção em 889 nm. A feição encontrada nas plantas estressadas, em torno de 960 nm, é devida a variações no conteúdo de água intrafoliar. No intervalo entre 1116 – 1284 nm, as plantas apresentam outra banda de absorção devido à água intrafoliar. O solo contaminado com DSL também exibe uma feição nesse intervalo (~1205 nm); entretanto, a mesma é muito sutil e somente ocorre quando a concentração de contaminante é alta. No intervalo entre 2318 – 2233 nm, o espectro do solo apresenta feições de absorção características da caulinita, as quais são bem definidas e diferenciadas das absorções produzidas por componentes da vegetação estressada. Embora nas medidas do dossel da vegetação em senescência avançada a fração de solo exposto tenha aumentado, a caulinita não aparece bem definida espectralmente.

As plantas mais estressadas apresentam menor profundidade das feições de absorção no

VIS e NIR (399 – 750 nm, 756 – 1085 nm, 1116 – 1284 nm) e maior profundidade das feições no SWIR (1665 – 1789 nm, 2138 – 2233 nm, 2236 – 2436 nm). De forma geral, as plantas no

canteiro da GSL exibem um estresse mais elevado do que aquelas contidas no canteiro do DSL. O avanço da senescência da vegetação implica numa maior exposição do solo, fazendo com que o espectro do dossel medido corresponda a uma mistura desses alvos (Figuras 6.8 e 6.9). Assim, em determinados intervalos espectrais (1665 – 1789, 2138 – 2233, e 2236 – 2436 nm), o espectro de dossel exibe feições da vegetação e dos minerais presentes no solo superpostas.

As feições no intervalo entre 399 – 750 nm não proporcionam informações diferenciadas que possam ser usadas para separar espectralmente os alvos estudados. Isto ocorre, pois, com o avanço da senescência, a banda de absorção da vegetação no comprimento de onda do vermelho visível (~650 nm) diminui, tornando-se similar à feição do solo, rico em hematita. Nesse caso, do ponto de vista espectral, a vegetação estressada pode ser confundida com o solo exposto, considerando-se somente os comprimentos de onda do visível.

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As feições de absorção entre 1665 – 1789 nm exibidas nos solos contaminados (-1725 nm, 1760 nm) têm sido utilizadas, por diversos autores, para identificar, de forma direta, a presença do HC no solo (Zwanziger e Forster, 1998; Chakraborty et al., 2010; Okparanma e Mouazen, 2013; Chakraborty et al., 2014; Correa Pabon e Souza Filho, 2014; Okparanma et al., 2014). No entanto, este intervalo é ambíguo para separação entre solo contaminado com HC e vegetação em estado avançado de senescência (Li et al., 2005; Kokaly et al., 2013; Sanches et

al., 2013a). As plantas dos tratamentos CTR e GSL apresentam feições de absorção próximas a

1728 nm e 1769 nm (devidas à celulose e lignina). As plantas do tratamento DSL estão centradas em 1725 nm e 1760 nm. No DSL, as feições observadas são geradas pela mistura das feições da celulose e lignina (da planta estressada) e do HC (do solo contaminado). Embora este intervalo espectral seja considerado ótimo para detectar diretamente o HC no solo, o mesmo também pode gerar falsos positivos, com impactos negativos para a classificação correta dos alvos.

No intervalo de 2236 – 2436 nm, as plantas estressadas apresentam feições de absorção devidas à celulose e lignina (~2276 nm, 2311 nm, 2349 nm), muito semelhantes às feições secundárias da gibbsita (~2269 nm), da caulinita (2313 nm, 2354 nm, 2382 nm) e mesmo HC (2279 nm, 2311 nm, 2350 nm) presentes no solo. Com o aumento da senescência, estas feições tornam-se mais profundas e fornecem informação ambígua, dificultando a separação entre os alvos de interesse.

Com base na análise em epígrafe, conclui-se que as feições da hematita em ~889 nm e da caulinita em ~2181 nm e ~2206 nm são os principais parâmetros que potencializam a separação entre solos e vegetação em estado avançado de senescência. Entretanto, não é possível separar solos portadores de HCs (nesse caso, diesel) da vegetação senescente, visto a superposição das feições diagnósticas de ambos os alvos.

6.3.2. Espectroscopia de imageamento – Sensor hiperespectral ProSpecTIR – VS

6.3.2.1. Análise da razão R691/758, NDVI e IH aplicados às imagens hiperespectrais do sensor ProSpecTIR –VS

A Figura 6.10 apresenta os resultados da aplicação da razão R691/R758, NDVI e IH nas imagens hiperespectrais adquiridas em 14/Maio e 17/Junho de 2010 (com resolução espacial de 60 cm e 1 m, respectivamente).

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Figura 6.10 Análise do nível de senescência da vegetação em 14/Maio e 17/Junho de 2010. Da esquerda para direita: Composição cor real (R638G548B460), razão R691/R758, NDVI (Rvermelho=648 nm e RInfravermelho=860 nm), IH (λA=1698 nm, λB=1723 nm, λc=1748 nm), e fotografia aérea da área de estudo. As setas

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Nota-se que na imagem de refletância de 14/Maio, a maior parte dos pixels com baixos valores da razão R691/R758 e NDVI está concentrada em setores de solo exposto (cor vermelha), e nas plantas do tratamento GSL (amarelo-verde). As parcelas com soja perene, braquiária e cana de açúcar ainda apresentam um comportamento de vegetação sadia (densa ou moderada) nessa data. No tratamento DSL e CTR, observa-se um comportamento similar da vegetação, com exceção das parcelas do feijão, as quais exibem valores baixos nessas razões, mostrando assim o nível avançado de senescência dessa cultura. Da mesma forma como verificado nas medidas de espectroscopia de refletância, as plantas do tratamento GSL encontram-se mais estressadas que as plantas dos outros dois tratamentos.

O IH mapeou corretamente a lona de plástico utilizada para realizar a calibração dos dados, a qual efetivamente apresenta feições de HC. A parcela do feijão no tratamento GSL apresentou baixos valores do IH (setas pretas na Figura 6.10). Estes baixos valores são devidos ao desenvolvimento das feições de absorção de celulose e lignina das plantas em estado avançado de senescência e não tem relação com feições geradas em função da presença de HC no solo. A identificação direta da gasolina no solo não é possível devido a fato de que esse combustível não apresenta feições diagnósticas temporalmente perenes no intervalo espectral considerado (Correa Pabón et al., 2013).

No levantamento hiperespectral realizado em 17/Junho, observa-se que os pixels dos solos, das plantas do tratamento DSL e GSL, e das parcelas de feijão e de milho no tratamento CTR, apresentam os mais baixos valores na razão R691/R758 e NDVI. Este baixo valor indica um estágio avançado de senescência, quando a assinatura espectral da vegetação é dominada por celulose e lignina. Os pixels mapeados pelo IH como áreas portadoras de HCs encontram-se principalmente no tratamento DSL, com predomínio nas parcelas de feijão, milho e cana de açúcar. Algumas áreas no tratamento GSL também apresentam valores baixos; mas neste caso, isso também tem relação com as feições da celulose e lignina da vegetação estressada e não com a resposta do HC.

De forma geral, observa-se que a razão R691/R758 é mais sensível para mapear a vegetação em estado avançado de senescência do que o NDVI. Ademais, a separação entre solos contaminados com HCs e vegetação em senescência parece não ser possível através do IH.

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6.3.2.2. Análise do IH – Comparação entre as assinaturas espectrais da vegetação senescente e do solo em imagens hiperespectrais do sensor ProSpecTIR – VS

As áreas indicadas pelo IH como portadoras de HCs foram analisadas a partir de espectros de pixels extraídos da imagem ProSpecTIR –VS (Figura 6.11). As feições nos intervalos entre 756 – 1085 mm (Figura 3.12) e 2138 – 2233 nm (Figura 6.13) foram analisadas visando reunir parâmetros para a distinção entre solo portador de HC e vegetação em estado avançado de senescência.

Na imagem de 14/Maio, os pixels mapeados pelo IH correspondem à vegetação estressada. Esta classificação errônea é devida ao fato de que as feições de celulose e lignina foram confundidas com as feições produzidas pelo HC. Por outro lado, analisando-se as feições nos intervalos de interesse, confirma-se que estes pixels correspondem à vegetação em estado avançado de senescência. Nesses intervalos, foram observadas as feições descritas anteriormente na análise por espectroscopia de campo, as quais são devidas à variações na estrutura interna da folha e conteúdo de água intrafoliar.

Os pixels mapeados na imagem de 17/Junho como portadores de solos com HCs também mostram falsos positivos. Esta imagem possui uma resolução espacial de 1 m, onde o nível de mistura em cada pixel é maior. Os espectros extraídos da imagem apresentam, de forma geral, o comportamento de solos contaminados com HCs. Observando-se os intervalos de análise para discriminar os dois tipos de alvo de interesse, nota-se que as assinaturas dos solos contaminados exibem feições devidas à hematita e caulinita, enquanto o espectro do falso positivo apresenta feições de absorção semelhante as descritas anteriormente na Figura 6.7.

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Figura 6.11 Espectros de refletância extraídos dos pixels mapeados com presença de HC pelo IH. Os espectros em vermelho apresentam os pixels que foram corretamente identificados como solo contaminado. Os espectros em preto apresentam os pixels classificados erradamente como solo contaminado, isto é, apresenta os espectros de vegetação em estágio avançado de senescência.

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Figura 6.12 Espectros de refletância dos pixels extraídos da imagem normalizados através da remoção do contínuo nos seis intervalo espectrais utilizados para discriminar entre vegetação senescente e solo contaminado.

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6.4. CONCLUSÕES

Os resultados deste trabalho apresentaram uma grande correlação entre as medidas espectrais de dosséis a partir da plataforma móvel e do sensor aeroportado ProSpecTIR – VS. O resultado da aplicação da razão R6914/R758 e o NDVI nas imagens hiperespectrais mostram correspondência com as observações e medidas espectrais realizadas no campo.

O índice proposto por Kuhn et al. (2004) considera somente a feição de absorção centrada em torno de 1730 nm. O emprego do IH nas imagens hiperespectrais permite mapear espectros tanto de solo contaminado como de plantas em estágios finais do ciclo fenológico. Tal fato está relacionado à coincidência da absorção do HC, em 1725 nm, com as feições de absorção das plantas em senescência, centradas em 1728 nm.

Os ensaios realizados neste estudo demonstram que a discriminação espectral entre solos contaminados e vegetação em estágio avançado de senescência é complexa, mesmo considerando-se feições mineralógicas do solo. Embora os métodos utilizados para se identificar de forma direta a presença de HC no solo gerem falsos positivos, existem intervalos que permitem realizar a discriminação desses solos contaminados da vegetação, mas principalmente a partir de medidas próximas e considerando diferenças espectrais nanométricas.

6.5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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