COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS

Texto

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Radiância de Superfície da água, radiância volumétrica de subsuperfície e radiância de fundo

A radiância total (Lt) registrada por um sensor a bordo de uma aeronave ou satélite é uma função da energia eletromagnética proveniente de quatro fontes indicadas na figura.

Lt = Lp + Ls + Lv + Lb

Onde:

Lp é a porção da radiância registrada por um sensor remoto da radiação solar direta (Esol) e indireta (Ecéu) descendente que, de fato, nunca atinge a superfície da água. (Radiância de tragetória)

Ls é a radiância da radiação solar e atmosférica descendente que alcança

a interface ar-água (algumas vezes denominada camada de superfície livre ou camada limite), mas que penetra apenas cerca de superfície livre ou camada limite), mas que penetra apenas cerca de 1mm na água sendo, portanto, essencialmente refletida da superfície da água. (Reflexão solar ou gliter – sunlight)

Lv é a radiância da radiação solar e atmosférica descendente que de fato penetra na interface ar água interage com a água e seus penetra na interface ar-água, interage com a água e seus constituintes orgânicos/inorgânicos e então emerge da coluna d’água sem interagir com o fundo. (radiância volumétrica ou de subsuperfície)

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Lb é a porção da radiância registrada resultante da radiação solar e

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Resposta espectral da água em função do comprimento de onda Para a água pura:

400 a 500nm = mínima absorção e espalhamento da energia incidente 400 a 500nm mínima absorção e espalhamento da energia incidente

na coluna d’água (melhor transmissão).

520 a 580nm = a energia incidente é muito bem absorvida e pouco espalhamento ocorre.

580 a 740nm = o espalhamento da energia se torna insignificante quando comparado com a absorção.

740 a 3.000nm = quase todo o fluxo radiante incidente é absorvido e pouco espalhamento ocorre.

Portanto, o espalhamento molecular da energia violeta e azul (< 520nm) e a significativa absorção de energia nos comprimentos de onda do verde, amarelo, laranja e vermelho (520 – 700nm) em uma coluna de d’água são responsáveis pela cor azul que vemos na água pura. As melhores regiões para discriminar terra de água pura são o IR

próximo e o IR médio (740 a 2.500nm). Nestas regiões do IR os corpos d’água aparecem muito escuros porque absorvem praticamente todo o fluxo radiante incidente, especialmente quando

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a água é profunda e pura.

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Resposta espectral da água em função dos constituintes orgânicos e inorgânicos – monitorando sedimentos

em suspensão (Turbidez), clorofila e matéria orgânica dissolvida

Ao conduzir estudos de qualidade da água ou tentar prever a produtividade da água usando dados de sensoriamento remoto normalmente estamos interessados na radiância volumétrica de subsuperfície L

sensoriamento remoto, normalmente estamos interessados na radiância volumétrica de subsuperfície, Lv. A radiância volumétrica de subsuperfície é uma função da concentração da água pura (w), dos sedimentos

inorgânicos em suspensão (SM), da clorofila a orgânica (Chl), do material orgânico dissolvido (DOM) e da quantidade total de atenuação por absorção e espalhamento que ocorre na coluna d’água devido a cada um desses constituintes, c(λ), isto é,

Lv= f [ wc(λ), SMc(λ), Chlc(λ), DOMc(λ) ]

- O pico de reflectância desloca-se para maiores comprimentos de onda para maiores comprimentos de onda na faixa do visível quando mais sedimentos em suspensão são adicionados.

A faixa do visível (580 a 690nm) - A faixa do visível (580 a 690nm) pode fornecer informações sobre o

tipo de sedimentos em suspensão (solo) nas águas; e

ó

- O IR próximo (714 a 880nm) pode ser útil para determinar a quantidade

de sedimentos em suspensão.

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Resposta espectral da água em função dos constituintes orgânicos e inorgânicos – monitorando sedimentos em suspensão (Turbidez), clorofila e matéria orgânica dissolvida

O registro da cor de uma área do oceano ou de outro corpo d’água possibilita a estimativa da quantidade e tipo geral de fitoplancton na área e fornece informação sobre a condição ambiental e química da água

de fitoplancton na área e fornece informação sobre a condição ambiental e química da água. Na água rica em clorofila são evidentes quatro feições pronunciadas de espalhamento/absorção:

- Forte absorção do azul pela clorofila a

entre 400 e 500nm;

- Forte absorção do vermelho pela clorofilaa em aproximadamente 675nm; - Máximo de reflectância em torno de 550nm (pico do verde) causado pela absorção relativamente menor do verde pelas algas;

- Pico de reflectância proeminente em torno de 690-700nm, causado pela interação de espalhamento celular das algas e de um efeito combinado mínimo

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de absorção por pigmento e água.

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Resposta espectral da água em função dos constituintes orgânicos e inorgânicos – monitorando sedimentos em suspensão (Turbidez), clorofila e matéria orgânica dissolvida

A Matéria Orgânica Dissolvida (DOM) é produzida por:

- O Fitoplâncton dentro da profundidade fótica na coluna d’água, consome nutrientes e os converte em matéria orgânica via fotossíntese (Produção Primária);

- O zooplâncton consome fitoplâncton e cria matéria orgânica; - O bacterioplâncton decompõe essa matéria orgânica.

Em certos casos, pode existir matéria orgânica dissolvida na água em quantidade suficiente para reduzir a penetração da luz na coluna d’água.

da luz na coluna d água.

Penetração na água e batimetria

O mapeamento batimétrico pode ser executado usando sistemas ópticos passivos ou ativos de sensoriamento remoto. Os levantamentos mais precisos em áreas geograficamente extensas são muitas vezes feitos usando SONAR (que reflete ondas de som do fundo) e LIDAR (que reflete a luz laser do fundo).

SONAR (SOund, NAvigation and Ranging – Navegação e Medição de Distância pelo Som): o SONAR ativo é

usado para media a distância até o fundo através de eco-sondagem pelo envio de um pulso acústico via ump g p p transdutor.

Os pulsos acústicos são refletidos pelo fundo marinho e os ecos refletidos são recebidos pelo transdutor.

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Penetração na água e batimetria

Existem três principais tipos de sistemas SONAR: SONAR de feixe único; SONAR de feixe múltiplo; SONAR de varredura lateral.

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Visão oblíqua da batimetria.

Primeira imagem: Batimetria do Lago Tahoe resultante do uso do sistema SHOALS LIDAR para profundidade <15m e de um SONAR Kongsberg de múltiplos feixes para superfícies >15m.

>15m.

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Penetração na água e batimetria

LIDAR (LIght Detection And Ranging – Detecção e Medição pela Luz): exemplo SHOALS (Scanning Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey).

O sistema SHOALS envia simultaneamente um pulso de laser no IR próximo (1064nm) e um no verde (532nm) em direção da superfície d’água.

A maior parte do pulso do IR próximo é absorvido pela água, conforme esperado, mas uma certa quantidade é refletida de volta ao receptor LIDAR.

Uma porção do pulso verde também é absorvida pela água, mas uma quantidade suficiente alcança o fundo e é refletida de volta ao receptor LIDAR.

O verde é utilizado porque pode penetrar na água costeiras típicas com atenuação mínima. Sua máxima profundidade é de aproximadamente 60m.

A profundidade da água é calculada a partir da diferença de tempo entre o retorno do IR próximo pela superfície e o retorno do verde pelo fundo e também da velocidade da eem no ar e na água.

retorno do verde pelo fundo e também da velocidade da eem no ar e na água.

A batimetria por LIDAR aerotransportado supera as limitações dos sensores acústicos (SONAR) em alguns pontos: - Opera especialmente bem em água rasa, onde os barcos encalham;

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- Possibilita o levantamento de áreas costeiras arriscadas (ex., com ondas altas) de forma segura; - Por ser móvel, permite rápida resposta em situações de emergência;

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Temperatura da superfície da água

A água tem uma emissividade (ε) muito próxima a 1.

Desta forma é possível obter medidas relativamente precisas da temperatura da superfície da água porque a medida Desta forma, é possível obter medidas relativamente precisas da temperatura da superfície da água, porque a medida de temperatura radiante registrada pelo sensor (Trad) é aproximadamente igual à temperatura cinética verdadeira (Tkin), assumindo que os efeitos da atmosfera são levados em conta.

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A precipitação pode ser medida operacionalmente, em base local ou regional, usando s.r. ativo de microondas com sensores operando fixos em superfície (são os chamados radares meteorológicos).

O radar meteorológico, por exemplo, emite um feixe de eem com um λ de 11,1cm.

Se a eem atinge um objeto (gota d’água, floco de neve, granizo, pássaro, etc.) ela é espalhada. Uma pequena fração da energia espalhada pode dirigir-se de volta para a antena de radar. O alcance máximo deste tipo de radar é de aproximadamente 400km.

No caso de sensores remotos os valores de precipitação são obtidos de forma indireta através da reflectância das nuvens, temperatura do topo das nuvens e/ou da presença de precipitação de neve e granizo para estimar as taxas de precipitação pluviométrica na superfície.

Técnicas do visível - IR

Apesar das dificuldades existentes em utilizar dados do visível e IR algumas técnicas forma desenvolvidas:

Duas estimativas diárias de radiação de ondas longas emergentes usando os sensores de órbita polar do IR a bordo - Duas estimativas diárias de radiação de ondas longas emergentes usando os sensores de órbita polar do IR a bordo do AVHRR para estimar precipitações mensais, e

- Um índice denominado GOES Precipitation Index (GPI), que se baseia na análise de dados do IR termal, classificando os pixeis como “chuvosos” numa taxa de 3mm/h se a temperatura do topo de nuvens for <235K.

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Técnicas do microondas ativas e passivas

O primeiro sensor de microondas para estimativa da taxa de precipitação foi o SSM/I (Special Sensor Microwave Imager) em 1987 e incluía um canal de alta frequência em 85,5GHz.

Basicamente, partículas do tamanho do gelo e grandes gotas de chuva reduzem significativamente a emissividade da nuvem e, portanto, diminuem sua temperatura de brilho abaixo de um nível nominal de referência (background). Em 1997 a NASA e a NASDA lançaram o satélite Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) com cinco instrumentos utilizados para estimativas de precipitação das regiões tropicais e subtropicais:

- O TMI (TRMM Microwave Imager) mede o volume de precipitação integrada na coluna em uma faixa de 780km de largura (Opera nas frequências de 10,7; 19,4; 21,3; 37 e 85,5GHz.

- O PR (Precipitation Radar ) mede a distribuição tridimensional da chuva sobre o continente e os oceanos (13,8GHz com polarização HH).

- O VIRS (Visible Infrared Scanner ) fornece informação sobre a cobertura de nuvens e sobre o tipo e temperatura do topo de nuvens (Opera em 0,63; 1,6; 3,75; 10,8 e 12 μm).μ

- O LIS (Lightning Imaging Sensor ) mede a incidência global de reai9os usando um sistema de s.r. óptico operando em 0,777μm.

- O CERES (Clouds and Earth’s Radiant Energy System ) é projetado para medir a energia radiativa refletida e emitida

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Os aerossóis podem ser sólidos ou líquidos e variar em tamanho de 0,01μm até várias dezenas de micrometros. Até recentemente não havia um instrumento capaz de estudar a composição dos aerossóis na atmosfera. O MISR (Multiangle Imaging SpectroRadiometer) a bordo do satélite Terra do programa EOS coleta informações em quatro bandas espectrais e nove ângulos de visada para obter informação quantitativa sobre a localização e conteúdo dos bandas espectrais e nove ângulos de visada para obter informação quantitativa sobre a localização e conteúdo dos aerossóis.

Mais do qualquer outro componente do sistema climático, as nuvens afetam o fluxo de energia na atmosfera da Terra. Uma nuvem pode aquecer ou resfriar a Terra, dependendo da sua espessura e altura acima da superfície.

Nuvens baixas e espessas refletem a radiação solar incidente de volta para o espaço, causando resfriamento. Nuvens altas aprisionam a radiação IR emergente e produzem o efeito estufa.

Nuvens altas aprisionam a radiação IR emergente e produzem o efeito estufa.

Nuvens no visível: Os primeiros satélites meteorológicos mediam apenas a energia refletida pelas nuvens na faixa do visível. Nesta faixa do eem as nuvens aparecem claras enquanto a superfície continental e a água aparecem mais escuras.

O METEOSAT trabalha com 3 canais, visível (0,4 a 1,14μm), IR termal (10,5 a 12,5μm) e vapor d’água (5,1 a 7,1μm). Nuvens no IR termal: a banda mais utilizada é entre 10 e 12,5μm, onde a atmosfera é relativamente transparente à energia nesse comprimento de onda emergente da superfície da Terra e das nuvens.

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É possível determinar o tipo de nuvem com base em medidas espectrais nas porções do visível e infravermelho.

Nuvens cumulonimbus convectivas são frias e claras. O mar e a superfície da terra são mais quentes e escuros.

Muitos trabalhos estão sendo feitos para detectar a presença de nuvens usando um limiar de temperatura fria no IR termal.

O objetivo é identificar pixels com baixa temperatura que correspondem a nuvens de média ou alta altitude.

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O vapor d’água é essencial para a precipitação. Não apenas é o mais importante gás estufa na atmosfera, como também tem um papel essencial para a compreensão e previsão dos processos meteorológicos mais importantes, desde a convecção até a formação de nuvens e precipitação, e dos fortes temporais resultantes.

É possível mapear o vapor d’água medindo as bandas de absorção de vapor d’água O λ mais comum está centrado É possível mapear o vapor d água medindo as bandas de absorção de vapor d água. O λ mais comum está centrado

em 6,7μm (o METEOSAT 4 trabalha na região espectral de 5,1 a 7,1 μm).

Neste comprimento de onda a maior parte da radiação medida pelo sensor vem da camada atmosférica entre 300 e 600km de altitude.

A umidade relativa é provavelmente mais alta nas áreas mais claras das imagens obtidas na banda de vapor d’água. Áreas claras e escuras podem também indicar movimentos ascendentes e descendentes, respectivamente.

Também posso utilizar o IR próximo na faixa de λ que vai de 890 a 990nm onde existem três bandas de absorção de Também posso utilizar o IR próximo na faixa de λ que vai de 890 a 990nm onde existem três bandas de absorção de

vapor d’água: uma forte centrada em 942nm e duas mais fracas em 906 e 977nm.

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Neve no espectro vísivel

Quando as nuvens não estão presentes em uma imagem do visível e/ou IR próximo, é uma tarefa relativamente simples identificar a distribuição espacial da neve, porque geralmente ela é mais clara do que a vegetação, solo ou água próxima que não estejam cobertos por neve

água próxima que não estejam cobertos por neve. Neve nas regiões do IR médio

Nas porções do visível e do IR próximo, nuvens e neve refletem quantidades aproximadamente iguais de fluxo radiante.

Na porção do IR médio (1,5 a 2,5 μm) as nuvens continuam a refletir quantidades substanciais de eem, enquanto a reflectância da neve aproxima-se de zero.

aproxima se de zero.

Alguns índices foram criados para detectar automaticamente regiões com neve (NDSI – Normalized Difference Snow Index):

TM 2 = 0,52 – 0,60μm TM 5 = 1,55 – 1,75μm

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Fontes pontuais de poluição da água são fáceis de controlar e regular.

A NPS (Poluição de fonte não-pontual) é definida como a poluição que se origina de descargas urbanas, construção, modificação hidrológica, silvicultura, mineração, agricultura, fluxos de retorno de irrigação, lixo sólido, deposição atmosférica erosão de bancos de rios e esgotos etc

atmosférica, erosão de bancos de rios e esgotos, etc.

Técnicas tradicionais de medidas in situ têm tido um efeito limitado na identificação e modelagem da NPS, assim a integração destes dados e de s.r. com técnicas de modelagem em SIGs podem fornecer informações útil sobre a qualidade da água.

Modelagem da poluição de fonte não-pontual usando o modelo de poluição e qualidade da água “Agricultural NonPoint Source (AGNPS)” aplicado a duas subbacias. a) Hidrografia da bacia Withers Swash em Myrtle Beach, SC. A modelagem baseou-se em células de 30x30m e em uma precipitação de 68mm em 24 horas. b) Topografia foi obtida

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Referências

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