RESPOSTA ESPECTRAL DE SÓLIDOS EM SUSPENSÃO COM O USO DO ESPECTRORADIÔMETRO

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RESPOSTA ESPECTRAL DE SÓLIDOS EM SUSPENSÃO COM O USO DO

ESPECTRORADIÔMETRO

Patricia Michele Pereira Trindade¹

Greice Vieira Silveira¹

Diego de Almeida Prado¹

Waterloo Pereira Filho¹

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_{Universidade Federal de Santa Maria}

Centro Regional Sul de Pesquisas Espaciais – CRS/INPE Laboratório de Geotecnologias/Departamento de Geociências

Av. Roraima, nº 1000 – 97105-900 – Santa Maria – RS, Brasil (55) 3301 2077 (www.ufsm.br/labgeotec) (pattytrindadegeo; greice.v.silveira; diegoprado1; waterloopf) @gmail.com

RESUMO

A resposta espectral da água é diretamente afetada pela concentração de sólidos em suspensão, pois o aumento deste ocasiona aumento da reflectância do volume da água e o deslocamento do comprimento de onda de máxima reflectância em direção a comprimentos de onda mais longos. A região mais sensível, quando há presença de sólidos em suspensão é a região compreendida entre o verde e o vermelho. Desta forma o presente trabalho tem por objetivo analisar a resposta espectral na água com sólidos em suspensão. Foram realizados experimentos na água com inclusão de solos com 58% argila (solo argiloso da região de Não-Me-Toque, RS) e solo com teor de 18% argila (solo arenoso da região de Santa Maria, RS). A coleta dos dados espectrais foram obtidas a partir do espectroradiômetro FieldSpec® HandHeld. O procedimento foi realizado em um recipiente contendo 10 litros de água, e para cada leitura acrescentava-se as seguintes amostradas de solo sucessivamente (0,1g; 0,5g, 1g; 2g; 3g; 4g; 5g; 10; 25g; 50g; 100g; 150g; 250g). A primeira leitura com amostras do solo arenoso (experimento 1) e a segunda do solo argiloso (experimento 2). Sob um aspecto geral, na faixa dos comprimentos de onda do azul (400 a 500 nanômetros - nm) não houve feições nítidas de absorção. Constatou-se um gradual aumento da reflectância a partir de 515 nm, já na faixa dos comprimentos de onda do verde para ambos os experimentos. Na faixa dos comprimentos de onda do vermelho entre 600 e 700 nm verificou-se um pico de reflectância, porem no experimento 1 os valores foram mais elevados. Entre 550 e 600 nm a primeira derivada ressaltou uma forte variação positiva relativa ao pico de reflectância apresentado pelos espectros no verde para o experimento 2. Entre 760 e 800 nm a primeira derivada ressaltou uma forte variação positiva para o experimento 1. A técnica de remoção do contínuo demonstrou que aproximadamente em 490 nm as curvas espectrais apresentaram uma pequena inflexão no experimento 1. Esta pode ser caracterizada como uma fraca feição de absorção. No no experimento 2 observa-se uma inflexão maior em 500 nm. A reflectância da água é baixa para ambos os experimentos quando há menor concentração de solo (até 1g/L). Porém, no experimento 2 os valores de reflectância são menores que o experimento 1. Esta característica pode ser explicada por GALVÃO (2006) o qual afirma que os solos argilosos apresentam menor tamanho de partículas e menor reflectância, maiores concentrações de matéria orgânica, óxidos de ferro, e minerais argilosos e opacos. E os solos arenosos apresentam maior tamanho de partículas e grande quantidade de minerais transparentes e assim maior reflectância.

Palavras chaves: Sólidos em Suspensão, Sensoriamento Remoto, Espectros de Reflectância.

ABSTRACT

The spectral response of water is directly affected by solids in suspension concentration as its increase leads to an increase of the reflectance and to a shift of the maximum reflectance to longer wavelengths. If there are solids in suspension the green to red region is the most sensitive one of the spectrum. The aim of this work is to analyze the spectral response in water with suspended solids. Experiments using samples constituted by 58% and 18% clay (clayey soil from Não-Me-Toque region, RS, and sandy soil from Santa Maria region, RS, respectively) were performed. Spectral responses were acquired by a spectroradiometer FieldSpec® HandHeld from a 10 l water recipient. The following soil samples were successively added (0,1 g; 0,5 g; 1 g; 2 g; 3 g; 4 g; 5 g; 10 g; 25 g; 50 g; 100 g; 150 g; 250 g). The first sequence was carried out for sandy soil (experiment 1) and the second one for clayey soil (experiment 2). There was no notable absorption in the blue region (400 to 500 nm). A growing increase of the reflectance was observed after 515 nm, in the green band of the spectrum, for both experiments. Peaks of reflectance were noticed in the

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red wavelengths region between 600 and 700 nm with the value for experiment 1 being the highest. The first derivative pointed out a strong positive variation, between 550 and 600 nm, related to the peak of reflectance in the green band for experiment 2. From 760 to 800 nm the first derivative revealed a strong positive variation for experiment 1. After subtracting the background for the whole analyzed spectrum (400 to 900 nm) a small inflection at 490 nm was exhibited in the experiment 1 spectra which can be related to a weak absorption. By its turn a higher inflection was noticed at 500 nm for experiment 2. Although the measured water reflectance was low for both experiments when the soil concentration was small (up to 1 g/l), the reflectance was lower for experiment 2 than for experiment 1. Such feature can be explained by GALVÃO (2006) who states that clayey soils present smaller particle size and reflectance, higher organic matter concentrations, iron oxides as well as clayey and opaque minerals. Sandy soils show bigger particle size and big amount of transparent minerals, and therefore higher reflectance.

Keywords: Suspended Solids, Remote Sensing, Reflectance spectra

1. INTRODUÇÃO

O sensoriamento remoto de ambientes aquáticos tem como base o fato de que os componentes nela presentes afetam a sua cor, cujas mudanças são decorrentes de alterações na radiância da água, e essa variação pode ser registrada por sensores orbitais. As características dos sensores remotos orbitais quanto à sua resolução espacial e espectral e os mecanismos de interação da radiação eletromagnética com a água definem uma variabilidade espectral tênue para os corpos d’água, a maioria dos estudos sobre qualidade da água, utilizando o sensoriamento remoto, tem se limitado à detecção de particulados em suspensão e de vegetação aquática emersa (NOVO et al., 1989).

A radiação solar, ao atravessar a atmosfera, é refletida, absorvida e transmitida. Em superfícies aquáticas, parte dessa energia penetra na coluna da água e outra parte é refletida, voltando à atmosfera. A radiação, ao penetrar na água, muda imediatamente de direção, ou seja, ocorre a refração em função da redução da velocidade ao penetrar o meio líquido. Parte dessa energia é absorvida e transformada em outras formas de energia, como a fotossíntese e o aumento calorífico da água (ESTEVES, 1998; NOVO, 2001).

Existe grande diferença entre o comportamento espectral da água em relação aos demais alvos da superfície, uma vez que a energia refletida por ela é consideravelmente menor que de outros alvos. Sendo este o fator de maior relevância na diferenciação a partir de estudos por imagens de satélite (NOVO, 2001). O comportamento espectral da água caracteriza-se por baixos valores de radiância concentrados numa faixa de radiação entre 350 e 700nm. A maior parte da radiação refletida corresponde às informações dos compostos que estão presentes devido ao espalhamento múltiplo que ocorre no corpo d’água (DEKKER, 1993; BARBOSA, 2005).

A resposta espectral da água é diretamente afetada pela concentração de sólidos em suspensão, pois o aumento deste ocasiona aumento da reflectância do volume da água e o deslocamento do máximo de reflectância desta em direção a comprimentos de onda mais longos. A região mais sensível, quando há presença de sólidos em suspensão, é a região compreendida entre o verde e o vermelho. Isso faz com que, em composições coloridas, rios com alta concentração de sólidos em suspensão apresentem a cor amarela (WACHHOLZ, 2007).

O material em suspensão é definido como todo material particulado em suspensão na água e que não passa por um filtro de 0,45 μm. Entre os constituintes de um corpo d’água, o material em suspensão ou total de sólidos em suspensão (TSS) é o componente de maior peso no comportamento óptico da água. O TSS na água é composto por dos tipos de sedimentos, os sólidos orgânicos em suspensão e os sólidos inorgânicos em suspensão. Os sólidos orgânicos são compostos principalmente por fitoplâncton e matéria orgânica particulada e os sólidos inorgânicos por partículas minerais, principalmente silte e argila (ESTEVES, 1998; BARBOSA, 2005).

Existe uma forte associação espectral entre a textura e a composição dos solos, que é o fator espectralmente dominante. A assinatura espectral do solo depende de sua composição química, biológica e física, e os principais constituintes que afetam sua resposta espectral são o óxido de ferro e matéria orgânica. O tamanho de partículas como também a mineralogia da fração argila também são importantes (DALMOLIN, 2005). Os solos argilosos apresentam menor tamanho de partículas e menor reflectância, maiores concentrações de matéria orgânica, óxidos de ferro, e minerais argilosos, e de opacos. Já os solos arenosos apresentam maior tamanho de partículas e maior reflectância, mas menores concentrações destes componentes, e uma maior quantidade de minerais transparentes (GALVÃO, 2006).

Diversos são os trabalhos realizados na área de sensoriamento remoto com dados espectrais que utilizaram técnicas de análise derivativa e remoção do contínuo. O método da análise derivativa compreende o realce de feições que se destacam na assinatura espectral de um alvo, tanto em picos de reflectância como bandas de absorção. Essa técnica calcula uma taxa de mudança da reflectância em relação ao comprimento de onda (RUNDQUIST et. al.).

A remoção do contínuo compreende a normalização de uma ou mais feições de absorção do espectro a partir da ligação entre os picos de máxima reflectância do espectro original, ou seja, o contínuo aparente no espectro de reflectância é modelado como uma função matemática usada para isolar uma feição de absorção particular para fins de análise e é removido pela divisão deste pelo espectro de reflectância (CLARK E ROUSH, 1984; KOKALY E CLARK,

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1999). Este procedimento resulta na comparação da absorção com valor de base comum considerando altura e largura da feição, a qual apresenta valores entre 0 e 1.

O uso de produtos de sensoriamento remoto em ambientes aquáticos é possível verificar a variação espacial e temporal da composição da água. Assim, pode-se investigar a origem e o deslocamento de substâncias específicas em suspensão ou dissolvidas na água (JENSEN, 2009). A utilização das técnicas de sensoriamento remoto para análise da água podem contribuir para estudos da evolução e interações que ocorrem entre o sistema terrestre e aquático. Desta forma, o presente trabalho tem por objetivo analisar a resposta espectral na água com sólidos em suspensão.

2. METODOLOGIA

As amostras dos solos arenoso e argiloso foram cedidas pelo laboratório de solos do Centro de Ciências Rurais (CCR) da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). Desta forma foram conseguidos solos com 58% argila (solo argiloso da região de Não-Me-Toque, RS) e solo com teor de 18% argila (solo arenoso da região de Santa Maria, RS).

A coleta dos dados espectrais foram obtidas a partir do espectroradiômetro FieldSpec® HandHeld. O procedimento foi realizado em um balde contendo 10 litros de água, e aos poucos se acrescentava as amostras dos solos. Para tanto foram utilizadas tais medidas de cada tipo de solo (0,1g; 0,5g, 1g; 2g; 3g; 4g; 5g; 10; 25g; 50g; 100g; 150g; 250g). A primeira leitura foi do solo arenoso (experimento 1) e a segunda do solo argiloso (experimento 2).

A medida que aumentava a concentração de solo na água eram coletados os espectros de reflectância e assim realizada a calibração e em seguida a otimização do espectrorradiômetro apontando o detector para uma placa de referência. Após a calibração e otimização anterior à coleta de cada amostra, o aparelho foi posicionado com ângulo de visada de α = 45o para a superfície da água e uma orientação de 90º de azimute solar de modo a minimizar a reflexão especular. Na coleta do fator de reflectância da água o espectroradiômetro foi ajustado para realizar a tomada de pelo menos dez espectros de reflectância a fim de minimizar a presença de ruídos (STEFFEN, 1996).

Realizados os experimentos, o dados foram armazenados e posteriormente processados. Assim foi realizada a média dos dez espectros coletados no programa ViewSpec Pro. Para suavizar os ruídos existentes no dados, foi aplicado o filtro de média móvel, o qual consiste no cálculo a partir de um ponto médio. Assim, no Excel foi obtida a média de sete pontos.

Para obter a derivada de primeira ordem dos espectros de reflectância foi realizado o cálculo de uma aproximação diferença finita. Neste trabalho o cálculo foi efetuado no Excel, considerando a equação 1, a qual mostra como pode ser estimada a primeira derivada (RUDORFF, 2007).

≅ −

∆

Onde: S = sinal verdadeiro da reflectância ( = maior comprimento de onda e = menor comprimento de onda) e ∆ = separação entre as bandas adjacentes (Δλ = − ).

Para realização da remoção do contínuo os dados de reflectância foram importados para o software Envi e selecionando-se a ferramenta continual removal, desta forma o gráfico foi gerado automaticamente. Para se obter a profundidade da banda foi utilizada no Excel a equação 2 (KOKALY; CLARK, 1999).

1 −

Onde − profundidade de banda e − reflectância normalizada no centro da absorção. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Apresenta-se uma análise exploratória dos espectros de reflectância obtidos a partir dos dois experimentos realizados. Desta forma são demonstrados os resultados de técnicas implementadas sobre os espectros e que permitiram potencializar a extração de informações.

Foram realizados os experimentos realizados com o espectroradiômetro entre as 10:30 horas e 12:30 horas, sob condições de céu claro (Fig.1). As condições de tempo encontradas nos dias de trabalhos de campo foram adequadas para as coletas espectrorradiométricas de acordo com (PEREIRA FILHO et al. 2005).

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Fig. 1 – Experimento com o espectroradiômetro.

3.1 Análise dos espectros de reflectância para os experimentos 1 e 2

Sob um aspecto geral, na faixa dos comprimentos de onda do azul (400 a 500 nm) não houve feições nítidas de absorção. Constatou-se um gradual aumento da reflectância a partir de 515 nm. Na faixa dos comprimentos de onda do vermelho entre 600 e 700 nm verificou-se um pico de reflectância, porem no experimento 1 os valores foram mais elevados. Verificou-se uma inflexão dos espectros com presença de uma feição de absorção centrada aproximadamente em 730 nm. A partir do comprimento de onde 800 nm ocorreu um novo pico de reflectância para os dois experimentos (Fig. 2).

Fig. 2 – Espectros de reflectância dos experimentos 1 e 2.

Pode-se perceber que a reflectância da água é baixa para ambos os experimentos quando há menor concentração de solo (até 1g/L). Porém, no experimento 2 os valores de reflectância são menores que o experimento 1. O que pode ser explicado devido ao fato que solos argilosos apresentam menor tamanho de partículas e menor reflectância, e os solos arenosos apresentam maior tamanho de partículas e maior reflectância.

Na Figura 3 são apresentados os resultados da derivação de primeira ordem dos espectros coletados nos experimentos. Esta técnica permite identificar os comprimentos de onda que apresentam maior variação da reflectância, além de remover os efeitos da água dos espectros, restando os efeitos dos sedimentos em suspensão (GOODIN et al., 1993).

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Na faixa espectral de 400 a 600 nm para o experimento 1 e 400 a 500 nm para o experimento 2 os espectros apresentaram uma variação muito baixa (próxima à zero) e um comportamento semelhante, o que se deveu à ausência de feições de absorção ou espalhamento nos comprimentos de onda do azul e do verde. Entre 550 e 600 nm (aproximadamente) a derivação ressaltou uma forte variação positiva relativa ao pico de reflectância apresentado pelos espectros no verde para o experimento 2. Entre 760 e 800 nm (aproximadamente) a derivação ressaltou uma forte variação positiva para o experimento 1. Entre 730 a 820 nm ocorreu uma brusca inversão da reflectância, que passou a apresentar uma variação negativa nos dois experimentos. Na análise derivativa, os grupos identificados nos espectros originais novamente tornaram-se nítidos, especialmente na proximidade dos 730 nm.

Outra técnica aplicada sobre os espectros dos experimentos foi a remoção do contínuo, que permite a normalização dos espectros em relação a uma referência comum e com isso facilita a identificação das feições de absorção. Os resultados obtidos para a remoção do continuo são apresentados na Figura 4.

O continuo foi removido para toda a faixa espectral de interesse (400 a 900 nm) e demonstrou que aproximadamente em 490 nm as curvas espectrais apresentaram uma pequena inflexão no experimento 1. Esta pode ser caracterizada como uma fraca feição de absorção. Já no experimento 2 observa-se uma inflexão maior em 500 nm.

Fig. 4 - Remoção do contínuo dos espectros de reflectância dos experimentos 1 e 2.

4. CONSIDERAÇÕES

O levantamento e análise de dados espectrais da água permitiu que o objetivo geral da pesquisa fosse atingido. O objetivo geral estabelecido foi “analisar a resposta espectral na água com sólidos em suspensão”. A reflectância da água é baixa para ambos os experimentos quando há menor concentração de solo (até 1g/L). Sendo que, na faixa dos comprimentos de onda do vermelho entre 600 e 700 nm verificou-se um pico de reflectância. Em aproximadamente 730 nm verificou-se uma inflexão dos espectros com presença de uma feição de absorção.

Pode-se concluir que as respostas espectrais dos dois experimentos são parecidas, porém a reflectância da água com sólidos em suspensão do solo arenoso apresentou maior reflectância. Uma das justificativas para este fato é que solos arenosos apresentam maior tamanho de partículas e quantidade de minerais transparentes.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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