CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

Ao mesmo tempo em que a agricultura desempenha o insubstituível papel de suprir a demanda por alimentos e fibras de uma população em crescimento, também é forte a preocupação mundial pelo desgaste que as atividades agrícolas, em geral, causam ao meio ambiente. Neste contexto, o sensoriamento remoto orbital proporciona uma possibilidade de monitorar grandes áreas da superfície terrestre com alta freqüência e baixos custos. Entre as muitas aplicações proporcionadas pelo sensoriamento remoto, a capacidade de mapear culturas agrícolas tem sido de grande interesse para o monitoramento da produção agrícola, o planejamento de microbacias, o manejo racional e sustentável dos recursos naturais e agrícolas e a necessidade de atuação social em áreas de produção agrícola.

Em geral, as culturas agrícolas de sequeiro têm ciclos de crescimento em épocas de altas precipitações e de altos índices de cobertura de nuvens, gerando problemas sérios de imageamento por sensores óticos. Assim, países tropicais como o Brasil, com altas taxas de precipitação pluviométrica, e conseqüente alta cobertura de nuvens, têm o monitoramento e planejamento agrícola bastante prejudicados por estes tipos de sistemas sensores

Portanto, para propósitos de monitoramento e mapeamento de culturas, o imageamento com sensores remotos atuando na faixa espectral de microondas pode apresentar vantagens sobre sensores óticos, devido ao fato da radiação emitida pelos sensores de microondas ter a capacidade de penetrar nuvens, fumaça e névoa. Além disso, os sensores de microondas têm a capacidade de imageamento noturno e não dependem da radiação eletromagnética emitida pelo Sol, permitindo a construção de bancos de dados de imagens praticamente constantes e ininterruptas.

das culturas e a interação no sistema solo-planta, trazendo, portanto, novas perspectivas para a discriminação de culturas, ainda não exploradas nas regiões tropicais.

O futuro lançamento de novos sensores na faixa de microondas, como o ENVISAT-ASAR (ESA,1998), Radarsat-2 (CCRS, 1998) é forte motivação para que novas pesquisas sejam desenvolvidas sobre os processos de retroespalhamento em imagens de radar e a sua relação com alvos terrestres.

Neste contexto, o objetivo do presente trabalho é avaliar o potencial das imagens multitemporais do Radarsat para agricultura, visando mapear e monitorar culturas agrícolas.

Mais especificamente, objetiva-se:

• Testar a capacidade de discriminar e identificar diferentes culturas agrícolas através de imagens Radarsat; e

• Determinar e avaliar o relacionamentos dos parâmetros fenológicos das culturas e o coeficiente de retroespalhamento extraídos de dados Radarsat na banda C, polarização HH.

Com este trabalho, espera-se contribuir para a utilização de imagens na faixa de microondas na agricultura, permitindo um melhor entendimento do comportamento das culturas agrícolas nesta faixa do espectro, de maneira a melhorar o monitoramento e o planejamento agrícola do país.

CAPÍTULO 2

COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE ALVOS AGRÍCOLAS NA FAIXA DE MICROONDAS

O coeficiente de retroespalhamento (σO

) é um dos parâmetros de análise em imagens na faixa de microondas, e corresponde a resposta da seção transversal do radar (em metros quadrados) dividido pela área iluminada (em metros quadrados).

Nesta faixa do espectro, o retroespalhamento (σo

) (Figura 2.1) é governado por dois tipos de fatores: fatores geométricos relacionados com atributos da superfície dos alvos e fatores elétricos determinados pela constante dielétrica do solo e da vegetação para um dado comprimento de onda (Dobson et al., 1995). Os dois fatores são influenciados por mudanças ambientais como variações atmosféricas, precipitação, temperatura e ventos. Além dessas variações de caráter ambiental, variações referentes a distúrbios na cobertura do solo, como incêndios, pragas e estresse hídrico também influenciam os valores de σo

como está descrito na Figura 2.2.

ƒ ‚ • ƒ ‚ • Retroespalhamento direto das plantas Retroespalhamento direto do solo (inclui 2 caminhos de atenuação pelo dossel) Espalhamento múltiplo pelo solo e plantas

Tamanho, forma e distribuiçã o Densidad e Propriedades dielétrica s

Fig. 2.2 - Principais fatores controladores do retroespalhamento em vegetação e alvos agrícolas.

FONTE: Adaptado de Dobson et al. (1995, p. 200).

2.1. PARÂMETROS RELACIONADOS AO SISTEMA SENSOR

A freqüência ou o comprimento de onda, juntamente com o ângulo de incidência e a polarização são os principais parâmetros definidores de um sistema sensor na faixa de microondas (Brisco e Brown, 1997). Estes parâmetros definem o tipo de informações contidas no sinal de retorno e o tipo de interação entre a energia incidente e os alvos. Além destes, outros parâmetros têm importância, como a resolução espacial em azimute

e em range, a largura da faixa imageada e a potência do pulso transmitido, porém esses fatores não serão tratados aqui.

2.1.1 Freqüência

A magnitude do coeficiente de retroespalhamento de alvos agrícolas depende diretamente da freqüência, pois esta define a ordem de grandeza dos efeitos da constante dielétrica e da rugosidade superficial dos alvos na absorção, transmissão e espalhamento da radiação incidente. A freqüência também tem uma relação importante com o tamanho das partes das plantas, o que interfere diretamente na penetração da onda nos alvos.

A constante dielétrica da água à temperatura ambiente pode variar de 78 a 50 apenas com a mudança de freqüência, da banda P para a banda Ka (Ulaby et al., 1986b). Como as culturas são compostas de diferentes teores de água em cada estágio fenológico, a freqüência desempenha um papel importante no monitoramento temporal de cultura. Entre diferentes espécies o teor de água dos tecidos também varia, sendo importante para a caracterização do retroespalhamento das culturas, facilitando a discriminação e identificação dos alvos agrícolas (Ulaby e Jedlicka, 1984).

O poder de penetração da onda é inversamente proporcional à freqüência. Assim, com a diminuição da freqüência, aumenta-se a penetração da radiação nos alvos (vegetação, culturas agrícolas e solo). Com esta diminuição, os tamanhos dos elementos que constituem os alvos agrícolas (folhas, caules, hastes e flores) “tornam-se” menores em relação ao comprimento de onda, ficando mais lisos e “invisíveis” para o sensor. Desta forma os elementos da cultura com tamanho menor que o comprimento de onda não são detectados pelo sensor. A rugosidade dos dosséis e do solo nu também é função da freqüência já que ela determina o tamanho mínimo dos objetos detectados pelo sensor. Segundo Dallemand et al. (1993), uma superfície pode ser considerada lisa pelo critério de Rayleigh se :

θ λ cos 8 < h ou f c h 1 cos 8 θ < (2.1)

onde h é a altura média das variações da superfície, λ é o comprimento de onda, c é a velocidade da luz, f é a freqüência, e θ é o ângulo de incidência.

Outros critérios de rugosidade também são relacionados na literatura como os listados na Tabela 2.1.

TABELA 2.1 - CRITÉRIOS DE RUGOSIDADE

Critérios de rugosidade

Fraunhoffer lisa se h < λ/32cosθ Peake e Oliver (1971) lisa se h < λ/25cosθ,

muito rugosa se h > λ/4cosθ Ulaby e Dobson (1988) lisa se h <0,2λ/2π,

rugoso se h >λ/2π Beaulieu et al. (1995).

Segundo Brisco e Brown (1997), em geral, altas freqüências como as bandas Ku e X são dominadas pelo retroespalhamento do dossel, enquanto que freqüências menores, como as bandas L e P, são dominadas pelo retroespalhamento do solo, devido à sua maior capacidade de penetração. A Tabela 2.2 apresenta a freqüência e comprimento de onda das bandas Ku, X, L, P e C. Assim, os comportamentos 1 e 2 apresentados na Figura 2.1 são mais significativos para as freqüências maiores, enquanto o comportamento 3 é mais característico das freqüências menores. Convém ressaltar que o comportamento dominante não exclui a influência dos outros tipos de comportamento, que ocorrem simultaneamente. Pode-se concluir que as freqüências menores são mais adequadas para estimativa do teor de água e da rugosidade do solo e as freqüências maiores para os estudos de componentes das culturas.

Da mesma forma, Bush e Ulaby (1978) afirmaram que as freqüências entre 13 e 16 GHz foram as que apresentaram a menor discriminação de culturas (alfafa, milho, soja e trigo) em um experimento terrestre avaliando freqüências de 8 a 18 GHz.

TABELA 2.2 - BANDAS DA REGIÃO DE MICROONDAS, SUAS ESPECTIVAS FREQÜÊNCIAS, COMPRIMENTOS DE ONDA E SUAS DENOMINAÇÕES

Bandas P L C X K

Freqüência (GHz) 0,2-0,39 0,39-1,55 3,9-5,75 5,75-10,9 10,9-36

Comp. de onda (cm) 100 30 5 3 1

Adaptada de Dallemand et al. (1993, p. 4).

Brown et al. (1992) concluíram que as bandas X e C proporcionaram maior exatidão na classificação de culturas que as bandas de freqüências menores, como a banda L. Os autores verificaram informações pouco relacionadas entre as bandas X e C, mesmo sendo estas duas bandas de comprimento de onda próximos, indicando que a combinação das duas bandas pode melhorar a discriminação de culturas agrícolas.

2.1.2 Polarização

A polarização de uma onda eletromagnética refere-se à orientação de seu campo elétrico. Tradicionalmente, os sistemas de radares de abertura sintética (SAR) utilizam polarizações lineares paralelas de orientação horizontal (H) ou vertical (V), representadas por duas letras: a primeira letra refere-se à polarização da radiação transmitida pela antena e a segunda letra à polarização da radiação recebida pela antena. As polarizações cruzadas não estão disponíveis em sensores orbitais operando sistematicamente. Elas foram utilizadas basicamente em experimentos terrestres, em missões aerotransportadas como Maestro, AgriSAR, SAREx, AirSAR, GlobeSAR e as missões orbitais SIR A, B e C, a bordo de ônibus espaciais.

Dobson et al. (1995) afirmaram que o comportamento polarimétrico da vegetação é a chave para a interpretação de informações de sua estrutura. Culturas com caules e folhas apresentando orientação predominantemente vertical capturam melhor a radiação incidente polarizada verticalmente que a radiação polarizada horizontalmente,

de açúcar, arroz), tem maior atenuação da radiação eletromagnética transmitida em polarizações VV do que em polarizações HH (Ulaby et al., 1982).

Yun et al. (1995) também verificaram que as diferenças entre as polarizações HH, VV e HV nas bandas X e C, medidas com um radar aerotransportado, foram mais significativas no arroz irrigado, por causa da estrutura tipicamente vertical das folhas e dos colmos, comparados à cilindros dielétricos finos, quando comparadas com outras culturas (cana de açúcar, banana e uvas). As áreas com arroz tiveram maior atenuação em ambas as bandas para a polarização VV e as áreas com banana, que possuem folhas largas e planas, tiveram maiores valores de retroespalhamento na polarização VV. Brisco et al. (1992) estudaram a discriminação das culturas de trigo de primavera, cevada, canola e pousios de verão, nas bandas Ku, C e L e nas polarizações HH, HV e VV através de um escaterômetro montado em um caminhão. Os autores verificaram que a polarização HV foi 51% melhor na discriminação das culturas que a polarização VV e que esta última foi 16 % melhor que a HH. Este resultado superior da polarização cruzada é resultado da detecção do retroespalhamento em diferentes direções, permitindo maior detecção do espalhamento múltiplo e volumétrico que ocorre nas culturas. A literatura (Dobson et al., 1995) afirma que a polarização cruzada é muito adequada à detecção do teor de umidade dos solos. O problema é que no momento não há nenhuma plataforma operando com este tipo de polarização.

Bush e Ulaby (1978), estudando a classificação das culturas de alfafa, milho, trigo e soja para freqüências variando de 8 a 18 GHz, com ângulo de incidência de 500

off-nadir com um escaterômetro, concluíram que a polarização VV apresentou os melhores

resultados em todas as combinações possíveis de freqüência e polarização.

2.1.3 Ângulo de incidência

A intensidade do efeito que o ângulo de incidência exerce sobre o retroespalhamento é diretamente afetada pela ação da freqüência e da polarização. Ângulos de incidência maiores que 40o aumentam o trajeto da radiação através da vegetação, maximizando sua resposta, enquanto que comprimentos de onda pequenos penetram menos na vegetação,

fornecendo pouca informação referente à biomassa e o dossel. Estes efeitos contrários podem ser compensados quando a escolha de ângulos de incidência adequados à freqüência e aos objetivos do trabalho (Brisco e Brown, 1997). Para sistemas operando com polarização cruzada, o coeficiente de extinção, resultado das perdas por absorção e espalhamento em um meio, aumenta quando se aumenta o ângulo de incidência. Desta forma, para ângulos de incidência maiores que 40o, as polarizações paralelas HH ou VV são mais aconselháveis para o levantamento e mapeamento da vegetação.

Brisco et al. (1992) estudaram o efeito dos diferentes ângulos de incidência sobre as freqüências Ku, C e L e polarizações HH, HV e VV. Concluíram que a melhor faixa de ângulos de incidência para a separação de culturas agrícolas é a que vai de 30o a 60o, o que mostra o potencial das imagens Radarsat para o monitoramento agrícola. Os autores também ressaltaram que este resultado é atribuído à maior interação entre a radiação e o dossel, fruto da maior inclinação dos ângulos de incidência.

Paris (1983), utilizando um escaterômetro aerotransportado com a possibilidade de imagear em 10 ângulos de incidência diferentes a partir de 5o, em intervalos de 5 graus, verificou que, para condições de solo seco, a melhor separação entre o milho e a soja deu-se na banda C com polarização HV e ângulo de incidência de 50o. Verificou também que as variações no ângulo de incidência da ordem de 5o não produziram variação significativas no retroespalhamento das culturas do milho, da soja e da alfafa. A separação destas culturas usando ângulos de incidência menores que 15o foi inferior em relação a ângulos maiores que 35o. Estas conclusões foram explicadas pelo autor como resultado do fato que em ângulos menores ou iguais a 15o, o retroespalhamento é afetado pelo solo e pelo dossel das culturas, enquanto que para ângulos próximos a 50o, o retroespalhamento é dominado principalmente pelo espalhamento do dossel.

2.2 PARÂMETROS DOS ALVOS

As características dielétricas e geométricas dos alvos agrícolas influenciam diretamente na interação da radiação na faixa de microondas, determinando a magnitude do

estas duas características dos alvos ocorre simultaneamente no processo de retroespalhamento, sendo bastante difícil isolar o efeito de cada uma delas (Brisco e Brown, 1997). Por isso, os trabalhos de campo são quase sempre obrigatórios, pois permitem que o conhecimento da situação real das culturas em campo, ou seja, possibilitam um melhor entendimento do efeito que os fatores geométricos e dielétricos exercem separadamente sobre o retroespalhamento (Cihlar et al., 1987).

Estes dois parâmetros apresentam formas diferentes de influenciar o retroespalhamento. As propriedades dielétricas governam a magnitude do espalhamento e a atenuação do sinal, determinando a proporção da energia incidente que é transmitida, absorvida e espalhada. As propriedades geométricas controlam a distribuição espacial do espalhamento, determinando em que direção do espaço tridimensional o espalhamento se dá preferencialmente (Dobson et al., 1995).

A umidade do solo e da planta, a freqüência e o ângulo de incidência são os principais fatores que influenciam as propriedades dielétricas dos alvos (Ulaby e Jedlicka, 1984). Portanto, para um mesmo ângulo de incidência e uma mesma freqüência (como é o que ocorre com as imagens multitemporais do Radarsat), o único fator que varia é o teor de umidade, sendo o principal responsável pela interferência nas propriedades dielétricas dos alvos (solo e vegetação) e, conseqüentemente, no retroespalhamento. Os principais aspectos geométricos dos alvos agrícolas que interferem no retroespalhamento são: rugosidade superficial do solo e do dossel, porcentagem de cobertura vegetal, altura da cultura, biomassa, índice de área foliar (IAF), estágio fenológico, direção e espaçamento das linhas de plantio, densidade de plantio, arquitetura e estrutura das plantas e do dossel e forma, tamanho e orientação das folhas (Touré et al., 1994; Brisco e Brown, 1997; Le Toan et al., 1997).

Ulaby et al. (1986b) enumeram seis fatores principais que governam o retroespalhamento de dosséis, dividindo-os da seguinte maneira:

1. A constante dielétrica da vegetação, que é fortemente influenciada pelo teor de água do material vegetal;

2. O tamanho dos elementos difusores do dossel, como folhas, tronco, frutos e flores;

3. A forma dos elementos difusores;

4. A orientação dos elementos difusores do dossel; 5. A rugosidade e a constante dielétrica do solo; e

6. A geometria de cobertura do solo, como a direção de plantio, o espaçamento, a porcentagem de cobertura e a altura das plantas.

A seguir serão tratados os fatores dielétricos e geométricos dos alvos que governam o coeficiente de retroespalhamento em culturas agrícolas.

2.2.1 Fatores dielétricos

O dossel das culturas pode ser analisado como uma mistura de dielétricos, folhas, caule, flores e frutos (Ulaby e Jedlicka, 1984). O coeficiente de absorção volumétrica de um dossel é derivado da constante dielétrica do mesmo. A constante dielétrica relativa (ε) de um meio determina seu espalhamento, transmissão e absorção na faixa de microondas. Ela depende primeiramente do conteúdo de água do material, mas também é influenciada pela temperatura e pela salinidade interna das folhas, pela densidade do material, pela superfície específica das folhas e pelo conteúdo químico das folhas (Dobson et al., 1995). Como a constante dielétrica da água é muito maior que a da vegetação ou do solo seco, o conteúdo de água do material tem um papel dominante no retroespalhamento do dossel (Daughtry et al., 1991).

Na região de microondas, a constante dielétrica dos solos é sensível ao teor de umidade volumétrica do solo (Figura 2.3). Este teor é dependente da composição textural, ou seja, é função das frações de areia, silte e argila do solo (Ulaby et al., 1982). Como cada uma das frações texturais do solo apresenta capacidade diferente de reter a água, as múltiplas combinações de suas proporções determinam o teor de umidade possível de

30 25 20 15 10 5 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 1,4 6 12 18 GHz 18 12 6 Constante dielétrica εso lo solo siltoso 30,6% areia 55,9% silte 13,5% argila T = 23 Co

ε

'

ε

"

Umidade volumétrica do solo m _v

1,4 GHz

ε

'

ε

"

Fig. 2.3 - Curvas da constante dielétrica de solos. FONTE: Ulaby et al. (1986b, p. 2096) Ulaby et al. (1978) afirmaram que o σo

apresenta uma relação linear com a umidade do solo volumétrica, para freqüência de 1,5 GHz (banda L), polarização HH e ângulo de incidência de 20o, independentemente da rugosidade do terreno.

2.2.1.1 Constante dielétrica

Ulaby et al. (1982) definiram a constante dielétrica (ε) de um material como sendo um número complexo, constituído de uma parte real (ε’) e uma parte imaginária (ε”). A parte real é chamada de permitividade do material e a parte imaginária é denominada de fator de atenuação do meio. Matematicamente, a constante dielétrica é descrita como sendo:

ε

=

ε

’ - j

ε

” (

Em sensoriamento remoto, os alvos podem ser classificados em três classes distintas, quanto ao comportamento dielétrico: a) substâncias homogêneas, b) soluções eletrolíticas, e c) misturas heterogêneas.

Na categoria de substâncias homogêneas, tem-se a água pura e o gelo com valores de ε que podem variar de 3 a 80 (Ulaby et al., 1982). Soluções eletrolíticas têm comportamento intermediário entre os materiais homogêneos e os heterogêneos; são exemplos deste comportamento o material intra-celular de plantas e solos com alto teor de umidade. As misturas heterogêneas são representadas pelo gelo marinho, neve, solo seco e dosséis de culturas.

2.2.1.2 Propriedades dielétricas e parâmetros das culturas

A dependência do ε quanto ao teor de água da planta é tão grande que as variações diárias no teor de água das folhas podem causar mudanças significativas em ε. Assim, variações de temperatura que produzam mudanças no estado da água interna das plantas modificam o valor da constante dielétrica e, conseqüentemente, do coeficiente de retroespalhamento (Dobson et al., 1995).

Attema e Ulaby (1978) desenvolveram um modelo de retroespalhamento de dosséis tratando-os como uma nuvem de pequenas gotas d’água suspensas no volume ocupado pela vegetação e supondo que o retroespalhamento da vegetação é uniforme. O coeficiente de retroespalhamento neste modelo integra a contribuição do número de gotículas por unidade de volume sobre o trecho de passagem do sinal através do dossel. O σo

dos alvos é função do teor de água no solo e na vegetação e da altura das plantas. Posteriormente, Ulaby et al. (1984), melhorando este modelo, incluíram como contribuintes no retroespalhamento as folhas, os caules e o solo nos processos de

representada pelo caule. O retroespalhamento do solo neste modelo de multicomponentes é atenuado pelas duas camadas superiores da vegetação. Em seguida, Ulaby et al. (1990) desenvolveram um outro modelo que considera o espalhamento e a absorção da radiação como resultado do comportamento do caule, similar a cilindros dielétricos, e das folhas, similar a pequenos discos com orientação aleatória.

A fenologia das culturas governa o conteúdo de água das plantas e, conseqüentemente, as propriedades dielétricas das culturas. À medida que as culturas avançam para a colheita, o teor de água diminui, o que geralmente reduz a contribuição das plantas para o σo

e aumenta a penetração da radiação na vegetação, aumentando a contribuição do solo para o retroespalhamento total da cultura (Brisco e Brown, 1997).

Estudando o efeito que a umidade do dossel das culturas de milho, trigo e sorgo tem sobre o retroespalhamento, através de um escaterômetro medindo em 4 freqüências (8,6; 13; 17 e 35,6 GHz), 3 polarizações (HH, VV e HV) e 3 ângulos de incidência (30o, 50o e 70o), Brakke et al. (1981) verificaram que a maior correlação entre a umidade e o retroespalhamento ocorreu para ângulos de incidência de 30o e para freqüências de 13 e 17 GHz. Os autores observaram que a correlação diminuía com o aumento do ângulo de incidência. Para ângulos maiores, a radiação emitida pelo sensor atinge a vegetação mais lateralmente e não verticalmente, tornando menos sensível às variações do volume de biomassa e, conseqüentemente, ao teor de umidade do dossel.

Brown et al. (1984), utilizando um radar aerotransportado na banda C e polarização HH constataram que o aumento da umidade do solo provocou uma diminuição na capacidade de discriminação entre áreas de pousio e grãos. Neste caso, a umidade mais alta do solo proporcionou uma elevação nos valores de retroespalhamento correspondentes às áreas de pousio, tornando-os mais semelhantes às áreas ocupadas por grãos.

Gillespie et al. (1990) afirmaram que a maneira como a água se distribui na superfície das folhas, altera as propriedades dielétricas da cultura. Os autores verificaram que o σo era afetado diferentemente se as folhas estivessem cobertas por um filme de água, como

ocorre nos casos de depósito de orvalho, ou se estivessem com gotas separadas uma das outras, como ocorre no caso de chuva ou irrigação. Contudo, para ambos os casos, a separação de alvos agrícolas foi realçada, permitindo melhor discriminação entre as culturas agrícolas.

Brisco e Brown (1990) estudaram o estresse hídrico das culturas de trigo, cevada, ervilha e canola e o efeito da seca em áreas de pousios de verão, utilizando um radar aerotransportado, operando na banda C, polarização HH. Os resultados mostraram que o trigo com estresse hídrico foi facilmente separado das outras culturas, com e sem estresse hídrico. Para a cevada e a canola, também houve a separação entre os dois estados das culturas, porém com menor clareza. Para as ervilhas houve baixíssima separação entre o estado saudável e com estresse hídrico. Estes resultados mostram que o conteúdo de água da cultura do trigo tem papel mais importante no coeficiente de retroespalhamento que parâmetros geométricos da culturas, para esta banda e polarização. Para as outras culturas pesquisadas (cevada, ervilha e canola) o retroespalhamento é resultado da resposta conjunta dos parâmetros dielétricos e geométricos.

A influência da umidade do solo no retroespalhamento é dependente do tipo de solo. Porém, quando se atinge a capacidade de campo, o σo

torna-se independente do tipo de solo (Ulaby et al., 1982). Estes autores também afirmaram que a espessura efetiva da camada de solo que tem importância na resposta do σo

varia de 1 cm a 15 cm em solo seco e de 0 a 5 cm em solos úmidos. No monitoramento de culturas em áreas irrigadas, onde na maior parte dos casos são realizadas operações de preparo do solo, as polarizações paralelas (HH e VV) são mais adequadas por serem mais sensíveis aos efeitos geométricos da cultura, como direção e espaçamento das linhas de plantio e menos sensíveis à umidade do solo.

Proud et al. (1990) pesquisaram o efeito dos parâmetros do solo no retroespalhamento do dossel das culturas de tomate, fumo, alfafa, milho e soja com um radar aerotransportado operando na banda C, polarização HH e ângulo de incidência entre 45

crescimento da cultura, diminuindo gradativamente à medida em que a cultura se desenvolvia e aumentava a cobertura do solo. Os autores também discutiram os efeitos da textura dos solos, mostrando que os solos arenosos tiveram influência mais significativa sobre o σo

quando comparados aos solos argilosos e siltosos. Os solos arenosos têm menor capacidade de reter água, portanto têm menor teor de umidade, causando menor atenuação da radiação e portanto contribuindo, mais efetivamente para o retroespalhamento total.

Paris (1986) observou a baixa interferência que as mudanças na umidade do solo tiveram no valor total de retroespalhamento da cultura de milho, afirmando que a resposta do solo na fase final de amadurecimento da cultura não é significativa, na qual o dossel torna-se mais transparente à radiação. Entretanto, o autor ressalta que, para freqüências menores que 17 GHz, os resultados podem ser diferentes por causa do maior poder de penetração da onda.

2.2.2 Fatores geométricos

Os parâmetros geométricos, conforme mencionado anteriormente, têm efeitos simultâneos e conjugado aos efeitos dielétricos, devendo ser considerados em função da freqüência/comprimento de onda. Neste caso, o comprimento de onda tem papel importante, haja vista que objetos menores que o comprimento de onda incidente produzem um espalhamento com padrão difuso e objetos de tamanho maior produzem espalhamento com padrão mais dirigido (Dobson et al., 1995). Da mesma forma, a rugosidade também é função do comprimento de onda, interferindo significativamente na função de espalhamento dos alvos. Por isso o tamanho dos difusores ou das partes das plantas é muito importante no estudo das relações do retroespalhamento e parâmetros agronômicos das culturas. Os principais parâmetros agronômicos que interferem no retroespalhamento serão discutidos nos próximos tópicos do trabalho.

2.2.2.1 Altura

A altura das culturas determina a distância entre o topo do dossel e o solo, portanto, o volume do dossel pelo qual a radiação é obrigada a atravessar e interagir no processo de

retroespalhamento. Attema e Ulaby (1978) consideraram, em seu modelo “cloud

model”, o retroespalhamento como função do teor de umidade do solo, teor de umidade

das plantas e a espessura física vertical do dossel, ou seja, a altura das plantas. No MIchigan MIcrowave Canopy Scattering model (MIMICS), desenvolvido por Ulaby et al., (1990) para áreas de florestas temperadas, o dossel foi dividido em três camadas: copa, troncos e solo. Entre os parâmetros geométricos nas duas primeiras camadas, relacionados pelos autores, a altura da copa e a altura dos troncos aparecem com destaque. A Figura 2.4. ilustra a divisão do dossel em três camadas e mostra os parâmetros geométricos e dielétricos relacionados no modelo.

Na adaptação do MIMICS para dosséis de culturas agrícolas, Touré et al. (1991, 1994) desconsideram a região dos troncos, considerando que esta altura seria igual a zero. No modelo original, a altura dos troncos é muito maior que o comprimento de onda; no contexto agrícola, isto já não é verdade, particularmente para culturas como a de cereais, onde o caule das plantas tem altura da ordem do comprimento de onda, principalmente nas bandas L e C, justificando a eliminação desta região. Adicionalmente, o caule das culturas agrícolas não ocupa uma região à parte do dossel das culturas como ocorre com os troncos de espécies florestais.

solo

camada dos troncos

camada

do dossel _{dossel agrícola}camada

solo

contexto florestal contexto agrícola

1 2a 2b 3: diretamente da planta 4a 4b 5 1 2a 2b 3 5 1: solo-planta-solo 2a: planta-solo 2b: solo-planta 4a: tronco-solo 4b: solo-tronco 5: diretamente do solo

Fig. 2.4 – Ilustração de mecanismos de retroespalhamento que ocorrem em floresta e em culturas agrícolas, de acordo com o modelo MIMICS.

No caso de algumas gramíneas como o trigo, milho e sorgo na fase de florescimento, há a emissão de um pendão constituindo uma nova região no modelo, os autores mantiveram o modelo com apenas duas camadas, agrupando pendões, caules e folhas, para facilitar a modelagem do retroespalhamento. Mesmo com a eliminação da região composta por troncos e a manutenção dos pendões dentro da mesma região do caule, a altura da região é fator importante no modelo, determinando a distância a ser percorrida pela radiação dentro do dossel, seja no percurso para atingir o solo seja no caminho de retorno em direção ao sensor.

Le Toan et al. (1997), estudando o retroespalhamento na cultura do arroz, consideraram cada planta como um grupo de hastes-cilindros verticais e dielétricos com altura H, raio

a e constante dielétrica εs. Embora este modelo não utilize a divisão da cultura em

camadas, o modelo utiliza a altura das hastes para representar a distância entre o topo do dossel e o nível base de inundação da cultura. Semelhante ao MIMICS, este modelo também considera que a atenuação da radiação incidente no dossel é função, entre outros fatores, da altura da cultura em relação ao nível de base do solo ou da lâmina de inundação, determinando o volume de material vegetal da cultura a ser atravessado pela radiação.

O ajuste da curva de correlação entre o retroespalhamento e a altura das plantas de arroz Le Toan et al. (1997), mostra uma relação de segundo grau onde, numa primeira fase, o aumento da altura da cultura aumenta o retroespalhamento até o ponto de inflexão, que ocorre próximo a 1 m de altura. Na última fase, com o aumento da altura das plantas, começa a diminuir o retroespalhamento.

Bakhtiari e Zoughi (1991) desenvolveram um modelo de retroespalhamento para áreas de pastagens naturais baseado na estatística descritiva da altura das folhas dos pastos, mostrando que o tamanho da folha dos pastos naturais é um dos principais fatores condicionantes do retroespalhamento.

2.2.2.2 Tamanho, forma e orientação das folhas

Dependendo da arquitetura do dossel das culturas em termos do tamanho e da forma dos elementos difusores em relação ao comprimento de onda (λ), é possível tratá-lo como uma única camada com propriedades uniformes, como fizeram Touré et al. (1991, 1994) na modelagem do retroespalhamento de culturas agrícolas.

Se os elementos são aleatoriamente orientados, a transmissividade para um dado ângulo de incidência, ϒ(θ), assume uma forte relação com a distância percorrida dentro da camada e uma fraca relação com a polarização. Para camadas constituídas por elementos com orientação específica, como caules (orientação vertical) e pendões (orientação predominantemente vertical), a transmissividade assume uma dependência bastante grande com os ângulos de orientação e com a polarização. De forma geral, ϒ(θ) decresce com o aumento do ângulo de incidência e reduz a influência do componente solo no retroespalhamento total da cultura (Ulaby et al., 1982).

Brown et al. (1992) observaram que a cultura de canola apresentava maior retroespalhamento que as culturas de trigo, cevada, alpiste, ervilha e as áreas de pousio de verão. Este comportamento foi igual nas 3 bandas estudadas, X, C e L. Os autores explicam este comportamento da cultura como sendo resultado da forma (plana) e tamanho grande das folhas de canola, atuando como centro difusores diferenciados do retroespalhamento.

Yun et al. (1995) detectaram pequenas variações no retroespalhamento da cultura de cana-de-açúcar para as polarizações HH, HV e VV e para as bandas C e X. Estes resultados foram explicados pelos autores como resultado da orientação aleatória do dossel da cultura, mostrando que esta cultura tem comportamento isotrópico.

2.2.2.3 Tamanho e forma de frutos, colmos e hastes

Ulaby et al. (1982) realizaram um experimento em plantas de milho que foram desfolhadas para avaliar o efeito de outros constituintes como espigas, caules, e espigas

mais caules no retroespalhamento. Os resultados para a banda C, polarização HH e diferentes ângulos de incidência estão apresentados na Figura 2.5.

Coeficiente de retroespalhamento (dB ) 16 8 0 -8 -16 -24 0 15 30 45 60 75 Ângulo de incidência θ a b c b - p l a n t a n o r m a l , sem extração de partes a - planta sem folhas, mas com espigas e colmos

c - solo exposto, extração total da planta

Milho - freqüência 5.1 GHz, HH

Fig. 2.5 - Medidas de retroespalhamento na cultura de milho com diferentes quantidades de desfolhamento.

FONTE: Ulaby et al. (1982, p. 1859).

Para θ ≤ 15o e condições de desfolha total, o retroespalhamento foi dominado pela contribuição do solo. Com o aumento de θ para 30o

o retroespalhamento das plantas passou a dominar o sinal de retorno (σo_{). E para θ ≥ 30}o

a contribuição de caules e espigas da planta de milho foram maiores que o σo

da planta sem nenhum desfolhamento. Isso mostra que a contribuição de colmos (caules) e espigas é significativa no retroespalhamento total, mas que a atenuação da radiação pelas folhas reduz esta contribuição a um nível igual ou até menor que o retroespalhamento das folhas.

Os mesmos autores afirmaram que, para a cultura de trigo, ocorrem mudanças no comportamento do σo

com o aparecimento de pendões ou espiguetas. Os pendões, localizados na parte superior do dossel, têm fortes propriedades de atenuação da radiação, diminuindo o retroespalhamento da camada das folhas, localizada logo abaixo. Baseados nestes resultados, os modelos de retroespalhamento procuram considerar o efeito que o pendoamento das culturas pode ter sobre o σo

atenuação e espalhamento composta pelos pendões na parte superior dos dosséis, assim que as culturas entram na fase de florescimento.

Ulaby et al. (1984), estudando a adequação de um modelo de retroespalhamento para a cultura de trigo composta de duas camadas, uma compreendendo os pendões do trigo e outra composta por folhas e colmos, verificaram que esta divisão se adaptava melhor à cultura por considerar que as folhas e colmos de trigo teriam pouco efeito de atenuação sobre a radiação que incide sobre os pendões, já que estes estão localizadas acima daquela camada. Isto mostra que culturas com flores ou frutos, localizados sobre a camada das folhas, podem ter comportamento diferenciado de retroespalhamento. Em geral, há diminuição dos valores de retroespalhamento nesta fase, como resultado da interferência do retroespalhamento de flores e frutos.

2.2.2.4 Índice de área foliar, porcentagem de cobertura e biomassa

Brakke et al. (1981) pesquisaram a relação entre índice de área foliar (IAF), matéria seca e retroespalhamento para as culturas do milho, trigo e sorgo com um escaterômetro nas freqüências 8,6; 13; 17 e 35,6 GHz, polarizações HH, VV e HV e ângulos de incidência 30o, 50o e 70o. Os autores observaram que a correlação entre o retroespalhamento e o IAF diminuía com o aumento do ângulo de incidência, resultado da visada mais lateral do sensor, o que diminui a sensibilidade do sensor ao IAF da cultura. A maior correlação foi observada para freqüência de 13 GHz, polarização VV e ângulo de incidência de 30o. Ao contrário do que ocorreu para o IAF a matéria seca apresentou maiores correlações para os maiores ângulos de incidência. A maior correlação foi verificada para o ângulo de incidência de 70o, freqüência de 13 GHz e polarização HV. Eles explicaram este comportamento como fruto da maior rugosidade do dossel, resultado da maior biomassa da cultura.

Juntamente com a porcentagem de cobertura das culturas, o IAF também tem relação positiva com o coeficiente de retroespalhamento (Ulaby et al., 1984). Os autores observaram, para a freqüência de 13 GHz e ângulo de incidência de 50o, um aumento do

de 2. A partir deste ponto, mesmo com aumentos de IAF, o aumento de σo

foi praticamente nulo. Já para a cultura do trigo, a correlação permaneceu positiva até valores de IAF próximos de 9. Também foi observado que, para plantas de milho, sorgo e trigo com IAF < 0,5, ou seja, culturas nos primeiros estágios de crescimento, o σo

foi muito afetado negativamente pelo teor de umidade do solo. Na fase de desenvolvimento, o σo foi dominado pelo comportamento das folhas e, no estágio de pré-colheita, o coeficiente de retroespalhamento foi dominado pelas contribuições do solo, hastes e espigas.

Brisco et al. (1992), utilizando um escaterômetro terrestre, verificaram que as menores freqüências foram mais sensíveis à biomassa total das culturas de canola, trigo e cevada. A cultura da cevada apresenta biomassa 15 a 30% maior que a cultura do trigo e esta diferença foi detectada pelas banda C e principalmente pela banda L, ou seja, pelas bandas de menores freqüências.

A porcentagem de cobertura do solo determina o grau de interferência que o solo tem no σo

da cultura (Touré et al., 1994). Desta forma, nas fases iniciais das culturas, a dominância do retroespalhamento pertence ao solo e seus fatores (teor de umidade e rugosidade superficial), diminuindo sua importância à medida em que a cultura se desenvolve, aumenta a biomassa, o IAF e a porcentagem de cobertura vegetal.

A densidade de plantio ou o número de plantas por unidade de área também é outro fator relacionado com o IAF, biomassa e porcentagem de cobertura que interfere no retroespalhamento total das culturas. Brown et al. (1992) relacionaram o efeito que a folhas de canola têm sobre o retroespalhamento em função da densidade de plantio. As folhas de canola, por serem planas e grandes, provocam alto retroespalhamento. No entanto este efeito é menor quanto maior for a densidade de plantio e menor a porcentagem de cobertura das plantas. Estes autores também afirmaram que a baixa densidade de plantas da cultura do alpiste permite a reflexão da superfície do solo liso abaixo da cultura, fazendo com que estas áreas apareçam em tons mais escuros na banda L. Outro exemplo apresentado pelos autores é o efeito da diferença de densidade de plantas entre uma variedade de trigo e cevada no retroespalhamento na banda L.

2.2.2.5 Fenologia das culturas

Quando se tratou dos fatores dielétricos que interferem na resposta do retroespalhamento das culturas, mostrou-se que a fenologia determina as variações temporais do teor de umidade das culturas (Brisco e Brown, 1997). Agora, no estudo da fenologia e suas relações com o retroespalhamento, além do teor de umidade será tratado as fases ou estágios das culturas durante o ciclo de crescimento e como cada uma destas fases interfere no coeficiente de retroespalhamento. Também é oportuno lembrar que os outros parâmetros geométricos tratados anteriormente (altura da cultura, IAF, porcentagem de cobertura, biomassa) também têm importância significativa no comportamento global da cultura.

Brown et al. (1992) observaram que as variedades precoces têm menor retroespalhamento quando se aproximam do amadurecimento, sugerindo que a maior penetração da radiação através do dossel se deve ao menor teor de umidade. Esta maior penetração no dossel aumenta a influência do solo, diminuindo o retroespalhamento total da cultura. Eles também ressaltaram que este efeito é menos significativo nos comprimentos de onda menores, devido à diminuição do poder de penetração da radiação.

Brisco et al. (1992) concluíram que a fase que vai da maturação à pré colheita é a fase em que as culturas apresentam fortes mudanças nas suas propriedades geométricas e dielétricas, sendo, portanto, uma boa época para identificação das culturas.

Ulaby et al. (1984) produziram gráficos da variação temporal do retroespalhamento para as culturas de milho, trigo e sorgo e seu comportamento em função da variação do IAF. A variação do retroespalhamento tem comportamento similar à variação do índice de área foliar nas 3 culturas estudadas (Figuras 2.6, 2.7, 2.8). Na cultura do trigo de inverno cultivada no estado de Kansas (EUA), mostrada na Figura 2.6, o retroespalhamento aumenta juntamente com o aumento do índice de área foliar até o início do florescimento, onde começa a diminuição dos valores tanto do σo

retroespalhamento volumétrico do dossel da cultura e da diminuição da influência do solo no retroespalhamento. No período de formação dos grãos, aproximadamente por volta do dia 165, a diminuição do σo

é resultado da ausência do retroespalhamento das folhas, já que o IAF é praticamente igual a zero mostrando a ausência de matéria verde. A partir do dia 156 do ano onde foi observado o menor valor de retroespalhamento, o novo aumento do retroespalhamento foi explicado por Ulaby et al. (1986b) como resultado da atenuação da radiação pelas espiguetas de trigo e pelo retroespalhamento duplo solo-caule de trigo.

Coeficiente de retroespalhamento () m m 2 -2 Dia ano (1980) 110 120 130 140 150 160 170 180 190 0,00 0,50 0,10 0,15 0,20 0,25 5 10 0 IAF

Índice de área foliar - IAF

() m m 2 -2 primeiro nó segundo nó início do florescimento 3/4 das espiguetas formadas antítese floral completa caryopsis terminada início do enchimento dos grãos Trigo de inverno - 13 GHz, VV, 50o

Fig. 2.6 - Variação temporal do retroespalhamento e do IAF da cultura do trigo. FONTE: Ulaby et al. (1984, p. 119).

A cultura do milho apresentou um comportamento similar do trigo (Figura 2.7). Nos estágios vegetativos, até o dia juliano 189, com o aumento da biomassa e IAF, o retroespalhamento é dominado pelo retroespalhamento das folhas, aumentando até a fase de florescimento (pendoamento). A partir desta data, o retroespalhamento diminui gradativamente até a colheita. Neste segundo período o retroespalhamento é atenuado pelos pendões da cultura presentes entre os dias 190 a 205. A partir do dia 205 até o final do ciclo, o retroespalhamento passa a ser dominado pelo retroespalhamento do solo e pela atenuação das espigas e caules, já que o IAF está diminuindo gradativamente.

A cultura do sorgo (Figura 2.8) tem um comportamento diferenciado do trigo e do milho basicamente por permanecer mais tempo com massa verde até os estágios finais do ciclo. No entanto, do início do ciclo até a nona folha, o comportamento é similar ao do trigo e do milho: o crescimento do IAF e do dossel domina o retroespalhamento. Com o início do florescimento, o IAF atinge o seu valor máximo e o retroespalhamento se estabiliza neste patamar. As variações no σo

são resultados das mudanças do domínio das partes das plantas sobre o retroespalhamento. O retroespalhamento só começa a diminuir de valor quando se aproxima da colheita e mesmo assim o decréscimo não é acentuado, já que a cultura permanece com grande quantidade de massa verde no fim de seu ciclo. Coeficiente de retroespalhamento () m m 2 -2 0,20 0,15 0,10 0,05 0,25 0,00 4 3 2 1 0

Índice de área foliar - IAF

() m m 2 -2 5 150 170 190 210 230 250 Dia do ano (1980) quarrta folha sexta folha sétima follha

décima terceira folha - pendoamento

final do enchimento dos grãos

colheita

IAF

Milho - 13 GHz, VV, 50o

Fig. 2.7 - Variação temporal do retroespalhamento e do IAF da cultura do milho.

FONTE: Ulaby et al. (1984, p. 119).

Paris (1986) também observou variações temporais do retroespalhamento do milho semelhantes às apresentadas por Ulaby et al. (1984). A Figura 2.9 apresenta o gráfico do retroespalhamento da cultura do milho na freqüência 17 GHz, no ângulo de incidência de 50o e nas polarizações HH e VV. É possível observar que os picos de retroespalhamento são praticamente os mesmos. Os picos dos dias julianos 190 e 230 o pico se referem ao início do pendoamento e ao enchimento completo do grãos,

IAF quarrta folha sexta folha colheita Coeficiente de retroespalhamento () m m 2 -2

Índice de área foliar - IAF

() m m 2 -2 0 Dia do ano (1980) 150 170 190 210 230 250 0,20 0,15 0,10 0,05 0,25 0,00 4 3 2 1 5 quinta folha nona folha florescimento início do enchimento de grãos final do enchimento de grãos Sorgo - 13 GHz, VV, 50o

Fig. 2.8 - Variação fenológica e temporal do retroespalhamento e do IAF da cultura do sorgo.

FONTE: Ulaby et al. (1984, p. 120).

Le Toan et al. (1997) estudaram a evolução temporal do retroespalhamento na cultura do arroz irrigado, na Indonésia e no Japão. O estudo mostrou que durante os 120 dias de desenvolvimento da cultura (do transplante até a colheita), o σo

é resultante das interações múltiplas entre a vegetação e a água. O aumento da vegetação (densidade, altura e biomassa) eleva a resposta do radar. Durante a fase reprodutiva, onde não ocorrem mudanças significativas na fitomassa, altura e densidade, o retroespalhamento permanece estável. No final do ciclo (fase de amadurecimento), ocorre uma pequena diminuição do σo

, correspondente à diminuição do teor de umidade da planta antes da colheita. Depois da colheita normalmente os campos são abandonados inundados permanecendo com valores baixos de σo

.

Liew et al. (1998) estudaram a cultura do arroz com dados do ERS-1 e Radarsat, modo Standard (S6), e verificaram que os coeficientes de retroespalhamento tiveram variações temporais semelhantes nas duas plataformas. Nas fases iniciais, o retroespalhamento foi baixo, como era esperado, em virtude da reflexão especular da água. À medida em que a cultura se desenvolvia, o retroespalhamento foi geralmente mais alto nas imagens Radarsat, provavelmente devido ao seu maior ângulo de incidência e à polarização HH. As imagens Radarsat se mostraram mais sensíveis ao arroz nos estágios iniciais. Novamente, o efeito maior do retroespalhamento duplo (double bounce) entre a

superfície inundada e as plantas de arroz (com orientação vertical) no sensor com polarização horizontal do Radarsat justificam a sua maior sensibilidade nas fases iniciais de desenvolvimento da cultura e os valores maiores de retroespalhamento. Nas fases finais, o retroespalhamento aumenta com o aumento da biomassa para a polarização VV do ERS-1 e ocorre saturação no final do estágio reprodutivo. Assim, para as imagens Radarsat resultou respectivamente em um aumento rápido do retroespalhamento nas fases iniciais do desenvolvimento da cultura e num aumento lento, nos estágios finais. Este fato foi explicado pelos autores como resultado da menor sensibilidade do sensor ao aumento da fitomassa e à diminuição da reflexão especular da água no início do desenvolvimento da cultura.

Milho - 17 GHz, 50o HH VV Dia do ano (1980) 150 170 190 210 230 250 Coeficiente de retroespalhamento (m m ) 2 -2 0,20 0,14 0,10 0,06 0,24 0,02

Fig. 2.9 - Variação temporal do retroespalhamento da cultura do milho. FONTE: Paris (1986, p. 88).

Ribbes e Le Toan (1998) mostraram que o retroespalhamento da cultura do arroz estudada com imagens Radarsat teve uma relação quasi-linear com o aumento da altura e da biomassa até 80 dias após a semeadura. A partir dos 100 dias o retroespalhamento permaneceu aproximadamente constante, em virtude da estabilização da altura e da biomassa das plantas. Elas também verificaram a maior sensibilidade do Radarsat nas fases iniciais do desenvolvimento, quando comparado com dados do ERS-1, devido ao

comportamento atenuador da polarização HH do Radarsat em relação à arquitetura das plantas de arroz.

2.2.2.6 Espaçamento e direção de plantio das culturas

Ulaby et al. (1986b) afirmaram que as polarizações paralelas HH e VV, quando comparadas com as polarizações cruzadas HV, são mais sensíveis à direção das linhas de plantio, tanto para solos expostos quanto para áreas com cobertura vegetal. Em um outro estudo, os mesmos autores estudaram a cultura do trigo em um sistema de linhas de plantio contíguas, na forma de quadrados inseridos uns dentro dos outros para observar como estas áreas iriam aparecer em imagens de radar aerotransportado na banda L e polarização VV. As áreas com linhas de plantio perpendiculares ao sentido do imageamento apareceram bastante claras e as áreas com sentido paralelo apareceram em tons escuros.

A influência da direção de plantio das culturas sobre o σo

é maior para ângulos de incidência menores que 25o, freqüências menores, da ordem de 1 GHz e polarizações paralelas HH e VV (Paris, 1983; Ulaby e Bare, 1979).

Schotten et al. (1995) afirmaram que as linhas de plantio presentes nas culturas de milho e trigo produziram assinaturas de retroespalhamento diferentes, causadas pela direção de visada do sensor. Ressaltaram ainda, que esta sensibilidade às linhas de plantio não é perceptível em culturas com dossel mais homogêneo como as beterrabas açucareiras.

2.2.2.7 Rugosidade

A rugosidade de um alvo pode ser descrita através do desvio padrão da altura média (altura RMS) e distância de correlação (L). A altura RMS representa a variação dos valores de altura de um perfil da superfície. A distância de correlação representa a estimativa estatística da independência entre dois pontos da superfície (Ulaby et al., 1982).

A representação acurada da rugosidade no campo é difícil, principalmente para culturas agrícolas heterogêneas. Alguns autores têm tentado desenvolver métodos de medição da

rugosidade em campo, de forma a permitir uma melhor modelagem de seus efeitos sobre o coeficiente de retroespalhamento e a caracterização de alvos quanto à rugosidade (Johnson et al., 1993; Beaulieu et al., 1995).

Ulaby et al. (1982) afirmaram que os dosséis têm comportamento dinâmico, apresentando variações temporais significativas na morfologia das plantas e de seus constituintes e, conseqüentemente, gerando uma variação elevada no coeficiente de retroespalhamento.

Ulaby et al. (1978) mostraram como o σo diminui rapidamente com o aumento da rugosidade à nadir, e este decréscimo é mais acentuado para freqüências baixas. Para um ângulo de incidência de 10o, o σo mostra-se pouco dependente da rugosidade. Para o caso de ângulo de incidência de 20o, há uma inversão da relação, ou seja, o aumento da rugosidade resulta no aumento de σo_{. As maiores variações no σ}o

ocorreram para superfícies lisas com rugosidade de 1,0 a 2,0 cm de altura RMS.

Brown et al. (1984), pesquisando a possibilidade de separar trigo, cevada, canola, ervilha e pousio com um radar aerotransportado operando na banda C, polarizações HH, HV e VV, e ângulo de incidência de 450, obtiveram baixa separação entre o pousio e culturas de grãos (trigo mais cevada), quando o pousio era bastante rugoso. Porém, quando a área de pousio apresentava baixa rugosidade, foi possível separar as duas classes.

CAPÍTULO 3

DISCRIMINAÇÃO DE CULTURAS NA FAIXA DE MICROONDAS

A discriminação e o monitoramento de culturas agrícolas são informações de grande valor para a comunidade agronômica. Neste sentido, esforços têm sido feitos para o desenvolvimento de ferramentas que auxiliem na separação dos diferentes tipos de culturas agrícolas e na avaliação dos seus estágios de desenvolvimento. O imageamento com sistemas operando na faixa de microondas possibilitou a eliminação de um dos problemas ao efetivo monitoramento e discriminação das culturas, que é a cobertura de nuvens na época de crescimento das culturas. Como as plataformas operando nesta faixa do espectro são relativamente novas, os estudos com este tipo de sensor orbital estão em fase de desenvolvimento. Radarsat possui apenas 3 anos de operação e muitos do seus recursos ainda não foram completamente explorados para aplicações em agricultura.

3.1 HISTÓRICO DOS SISTEMAS SENSORES DE RADAR E APLICAÇÕES EM AGRICULTURA

A análise da possibilidade de discriminar culturas com sensores ativos de microondas começou na década de 60 com uma série de missões com radares aerotransportados e escaterômetros (Sardar, 1997). Dentre elas inclui-se o RADAMBRASIL, um radar aerotransportado na banda X que recobriu a região amazônica, fornecendo dados para o mapeamento da floresta e do uso da terra, entre outros (Way e Smith, 1991).

No ano de 1978, com o lançamento do Seasat, a primeira plataforma orbital de radar de abertura sintética (SAR), iniciou-se uma nova era na observação de recursos terrestres por sensores remotos orbitais. A missão Seasat, embora tenha operado por apenas quatro meses, mostrou ser útil para o monitoramento de áreas agrícolas, abrindo caminho para outras missões utilizando a faixa de microondas, (Ulaby et al., 1982, 1986a). As missões subseqüentes foram as Shuttle Imaging Radar (SIR-A e B), destinadas prioritariamente ao desenvolvimento de tecnologia SAR e aos estudos sobre

culturas agrícolas (Sardar, 1997; Soares et al., 1997). A Tabela 3.1 apresenta as principais missões orbitais de radar e suas características.

No início da década de 80, missões aerotransportadas (AgriSAR e MAESTRO-1/AGRICASTT) também foram realizadas para estudos do retroespalhamento de alvos terrestres na faixa de microondas e de processamento digital de imagens. Já na década de 90, um destes programas foi o GlobeSAR-1, que obteve imagens de diversas regiões do globo através de um radar aerotransportado simulador do Radarsat (Brown et al., 1996; Yun et al., 1995), mostrando excelentes resultados para o monitoramento de culturas, como o arroz irrigado.

A Agência Espacial Européia, o Japão, a Rússia e o Canadá também construíram plataformas orbitais SAR neste período. As primeiras a serem lançadas foram a Almaz da Rússia e o European Remote Sensing Satellite (ERS-1 SAR) da Agência Espacial Européia (ESA), seguidas pela Japanese Earth Resource Satellite - JERS-1 SAR da NASDA. Por último, foi lançado o Radarsat da Agência Espacial Canadense (Tabela 3.1).

Desde o lançamento do ERS-1, vários projetos foram criados para avaliar a aplicação desses dados no mapeamento de culturas e no monitoramento temporal das suas condições, sendo obtidos excelentes resultados para cultura de arroz irrigado no Japão, Tailândia e Indonésia (Kurosu et al., 1997; Le Toan et al., 1997). Os resultados do mapeamento utilizando imagens JERS também foram promissores para as culturas de dendê e seringueira (Rosenqvist, 1996b).

Pesquisas também foram desenvolvidas com o surgimento do projeto Radarsat, visando avaliar as novas potencialidades apresentadas pela possibilidade de variações de ângulo de incidência e resolução espacial (Ahmed et al., 1989). Grupos de pesquisas em aplicações para a agricultura utilizando imagens simuladas e, após o lançamento, imagens reais do Radarsat, avaliaram as possibilidades de discriminação de alvos agrícolas e monitoramento de culturas (Brown et al., 1992; Brisco et al., 1992; Yun et al., 1995; Anys e He, 1995a, b; Ban et al., 1995; D’Iorio et al., 1995; Ribbes e Le Toan, 1998).

Mesmo antes do lançamento do Radarsat o governo canadense tinha projetos de mapeamento de culturas como o projeto Crop Information System (CIS) em 1987. Após o lançamento do satélite, as informações obtidas com o Radarsat passaram a ser agregadas ao banco de dados.

TABELA 3.1. DESCRIÇÃO DAS PRINCIPAIS MISSÕES UTILIZANDO MICROONDAS

Missão Lançam. Duração Altitude Polarização θ Resolução Banda

SeaSAT 6/78 3 meses 794 km HH 23o 25 m L SIR-A 11/81 5 dias 252 km HH 40o 40 m L SIR-B 10/84 8 dias 250 km HH 20-50o 20-50 m L Almaz 3/91 2 anos 300 km HH 30-60o 15-30 m S ERS-1 7/91 3 anos 785 km VV 23o 25 m C JERS-1 2/92 3 anos 570 km HH 33o 25 m L SIR-C 94 11 dias 225 km HH,HV,VH,VV 17-63o 30 m L,C,X ERS-2 95 2-3 anos 780 km VV 23o 25 m C Radarsat 11/95 5 anos 798 km HH 10-60o 8-500 m C Adaptada de Kuplich (1994).

Satélites com características multipolarimétricas e multifreqüenciais e outros satélites das missões JERS e Radarsat são aguardados para os próximos anos com novas tecnologias de imageamento na faixa de microondas, abrindo mais possibilidades de aplicações em agricultura.

3.2. CARACTERIZAÇÃO DAS CULTURAS ESTUDADAS

Normalmente o ciclo das principais culturas anuais de sequeiro está, normalmente, compreendido entre outubro e maio, ou seja, no período de maior precipitação pluviométrica e, conseqüentemente, com maior índice de cobertura de nuvens. Isto explica porque tanto se espera das imagens de radares orbitais para o monitoramento e mapeamento de culturas. Além disso, os ciclos (datas de plantio e colheita) das culturas encontradas na área de estudo determinam variações temporais no índice de área foliar (IAF), volume de fitomassa e porcentagem de cobertura do solo, possibilitando e facilitando a separação entre elas. A variação destes fatores e outros, como a direção de

linha de plantio fornecem a base para o entendimento e a discussão do comportamento apresentados pelos talhões nas imagens.

O algodão caracteriza-se por possuir um ciclo de crescimento longo, quando comparado

à outras culturas de cereais. Possui características morfológica e agronômicas diferentes da maioria das culturas de cereais (Abraão et al., 1988). Suas folhas são latifoliadas, espessas e distribuídas circularmente pelo caule principal. Sua arquitetura erecta também lhe confere características peculiares de estrutura. A área plantada com a cultura no Estado de São Paulo é pequena, basicamente em função do ciclo de plantio ser restrito aos meses de outubro e novembro. As condições climáticas exigidas pela cultura, que demanda alta quantidade de água na fase de florescimento e frutificação, obriga os produtores a plantá-la no início de novembro para que a fase de florescimento e frutificação caia exatamente nos meses de maior precipitação e a fase de maturação ocorra em período de menor precipitação (Abraão et al., 1988).

A cana-de-açúcar é uma gramínea semi-perene, do gênero Saccharum, apresentando várias espécies cultivadas. As variedades atualmente cultivadas no Brasil são quase todas híbridas, resultado do melhoramento genético entre estas várias espécies. Estas variedades apresentam características distintas quanto ao valor de biomassa total, arquitetura da planta, forma, tamanho e orientação das folhas, ciclo de crescimento e teor de açúcares e umidade total, de forma que cada variedade pode apresentar assinaturas espectrais diferentes na faixa de microondas. Em São Paulo o cultivo da cana-de-açúcar é feito em dois ciclos, um de 12 meses do plantio à colheita e outro de 18 meses. O plantio da cana-de-açúcar de ano e meio acontece nos meses de janeiro, fevereiro e março e, para a cana-de-açúcar de ano, em setembro e outubro, segundo Copersurcar (1990). A colheita ocorre no ano seguinte, a partir do mês de maio e concentra-se nos meses de junho, julho, agosto e setembro. Nesse sistema, a cultura é denominada cana planta até a primeira colheita. Posteriormente, passa a ser denominada cana soca, rendendo mais três ou quatro colheitas consecutivas (Alfonsi et al., 1987).

O feijão é uma planta herbácea com ciclo vegetativo é curto, variando de 61 a 110 dias. O Estado de São Paulo apresenta condições climáticas favoráveis para produzir feijão durante o ano todo, dependendo das práticas culturais a serem adotadas. O feijoeiro é sensível aos excessos de chuva e calor, e não tolera a escassez de água e a ocorrência de temperaturas muito baixas; assim, as melhores épocas para o cultivo da cultura são na primavera (setembro-outubro) e no verão (fevereiro-abril). Desta forma, os cultivos de feijão são divididos em duas épocas principais de plantio: a chamada das águas, cujo plantio se concentra em setembro-outubro, e a da seca cujo plantio é feito em fevereiro-março. A produção no período da seca será variável de acordo com as possibilidades de irrigação.

O milho é uma gramínea anual, cujas variedades cultivadas em São Paulo exigem a existência de verões quentes e úmidos, que estimulem o desenvolvimento e a frutificação das plantas, seguidas de estações secas que auxiliem na colheita e armazenamento do produto. O plantio de milho na região de Campinas ocorre principalmente nos meses de setembro-outubro e novembro, enquanto que a colheita se processa nos meses de abril, maio e junho.

É possível plantar tomate estaqueado durante o ano inteiro no Estado de São Paulo. Na época quente e chuvosa, porém, o tomateiro está mais sujeito aos ataques de doenças fúngicas e bacterianas, cujo controle encarece a produção (Pinto e Casali, 1980). A principal época para o plantio da cultura na região de Sumaré se dá de janeiro a março, podendo ocorrer ainda plantios também até o mês de maio. Da mesma forma que para a cultura do feijão, a produção no período da seca será dependente da irrigação.

3.3 DISCRIMINAÇÃO DE CULTURAS

As variações do retroespalhamento de uma cultura e entre culturas são devidas às mudanças nas propriedades dielétricas e geométricas do dossel, como se discutiu no Capítulo 2. Estas propriedades mudam com o tempo, com as condições ambientais e

diferenciadoras entre culturas a partir de dados multitemporais como destacaram Brown et al. (1984). Além disso, outras informações referentes às culturas, tais como o conhecimento do calendário agrícola, histórico da área de estudo e dados de umidade do solo auxiliam no processo de discriminação das culturas.

Oliver e Quegan (1998) utilizaram gráficos multitemporais de retroespalhamento para determinar o momento e as características que permitiriam a separação entre trigo de inverno e beterraba açucareira, a partir dos seus comportamentos ao longo de um ano agrícola. O comportamento das culturas está mostrado na Figura 3.1, onde os dados foram coletados em Flevoland (Holanda), partir de dados gerados pelo ERS-1. Eles concluíram, baseados nas análises gráficas que as duas culturas eram melhor separáveis entre os meses de junho e agosto, onde houve um diferença de 5-7 dB nas assinaturas de retroespalhamento. Os resultados mostraram boas possibilidades de classificação das duas culturas. Porém, as análises destes mesmo gráficos para as culturas do trigo e da cevada mostraram grande semelhança no comportamento das duas culturas, o que dificultaria bastante a separação e classificação destes tipos de culturas.

A escolha da melhor combinação de datas que maximize a discriminação das culturas é um problema a ser considerado, a fim de se obter a máxima separação entre as culturas. Abordando este problema Brisco et al. (1984) afirmaram que sincronizar o calendário agrícola com as datas das imagens aumentou em 10% a exatidão do mapeamento das culturas de grãos (milho, trigo, cevada e sorgo) e de feno.

Foody et al. (1989) usando dados aerotransportados multitemporais (banda X-3,2 cm, HH, 29-67o) também chegaram a conclusões similares às apresentadas por outros autores, afirmando que a escolha das datas das imagens com base no calendário agrícola é de suma importância para a boa separação das culturas.

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez 0 -5 -10 -15 -20 Coeficiente de retroespalhamento (dB)

Trigo de inverno - ERS-1

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

0 -5 -10 -15 -20 Coeficiente de retroespalhamento (dB)

Beterraba açucareira - ERS-1

Fig. 3.1 - Série temporal de valores médios de retroespalhamento em áreas de trigo e beterraba obtidos pelo ERS-1 em Flevoland (Holanda) em 1993.

FONTE: Oliver e Quegan (1998, p. 419).

Fischer e Mussakowski (1989) observaram que a utilização de dados multitemporais melhorou significativamente a identificação das culturas de milho, soja, trigo, fumo e centeio, com imagens aerotransportadas multitemporais na banda C e X, polarização HH e VV com ângulos de incidência (nadir, grande e pequeno). A utilização de cinco

discriminadas em função dos diferentes estágios de maturação de cada uma das culturas e das informações de desenvolvimento das culturas apresentadas nas outras imagens. Schotten et al. (1995) afirmaram que a utilização de composições coloridas multitemporais permitiu inclusive a interpretação visual dos dados. Eles apontam para o problema da escolha das datas que melhor captem as diferenças das culturas permitindo que a discriminação seja a melhor possível. Para a solução deste problema os autores propõem a utilização de gráficos com o comportamento temporal do retroespalhamento das culturas para que se possa determinar qual a fase e a data em que as culturas apresentam comportamento diferentes.

Foody et al. (1989) também utilizaram gráficos da variação multitemporal do retroespalhamento para verificar qual a melhor época para a escolha de imagens e para relacionar a fenologia das culturas com a sua possibilidade de discriminação. Estes autores usando dados do projeto AgriSAR (X-3,2 cm, HH, 29-67o) analisaram gráficos dos perfis de retroespalhamento em função do tempo/fenologia das culturas que permitiram aos autores afirmar que as culturas da cenoura, da beterraba, da batata, dos pastos e cereais poderiam ser discriminadas com boa exatidão nas duas últimas imagens, por volta do dia juliano 210 e 225. Como pode ser observado na Figura 3.2 na terceira data é possível separar a batata da beterraba; e na última imagem é possível discriminar a beterraba dos cereais, da batata, das cenouras e dos pastos.

A utilização de gráficos baseados nos intervalos de confiança das diversas classes de uso da terra pode nortear os processos de classificação digital de imagens (Kurosu et al., 1997; Foody et al., 1989). Baseados na sobreposição dos intervalos de confiança é possível definir estatisticamente o número de classes distintas, de forma a agrupar classes com as mesmas características, eliminando a confusão destas classes na classificação.

Schotten et al. (1995) afirmaram que tanto a média quanto o desvio padrão do retroespalhamento podem determinar as possibilidades de discriminação de culturas, quando se utilizar classificadores de máxima verossimilhança. Afirmaram que, baseados em gráficos temporais da média e desvio padrão do retroespalhamento, que a melhor

data para a separação de nabo de inverno, de cevada de primavera usando imagens ERS-1 foi entre meados de maio e meados de julho. De forma que a seleção das melhores datas para aquisição de imagens e para a coleta de amostras de treinamento pode ser baseada neste tipo de gráfico. A determinação das melhores datas para a escolha de imagens também é citada por Le Toan et al. (1997) como uma das aplicações deste tipo de metodologia baseada gráficos de intervalos de confiança dos valores de retroespalhamento. 150 160 170 180 190 200 210 210 230

Dia do ano (1986)

Fig. 3.2 - Gráfico da variação temporal do retroespalhamento para diferentes culturas e a possibilidade de discriminação.

FONTE: Foody et al. (1989, p. 25).

Brisco et al. (1992), utilizando um escaterômetro terrestre nas bandas Ku, C e L nas polarizações HH, VV e HV, estudaram a variação temporal do retroespalhamento da cevada, trigo, canola e pousio de verão e verificaram que as semanas 29 e 30 do ano de 1987 (15 a 30 de julho) foram as melhores semanas para a discriminação de culturas,

geométricas de cada cultura são bastante diferentes. Nas fases iniciais de desenvolvimento o retroespalhamento tem forte influência das propriedades do solo mascarando as diferenças entre as culturas.

O efeito que aspectos ambientais tem sobre o retroespalhamento e a separabilidade de culturas também é um ponto importante a ser levado em consideração. Brisco et al. (1989) afirmaram que a separação de culturas pode ser melhorada em condições umidade no dossel como orvalho ou gota de chuva e em área de diferentes teores de umidade no solo como áreas irrigadas e não irrigadas.

Entretanto, a umidade do solo é um fator que normalmente atrapalha a separação de culturas, pois sua distribuição espacial não é uniforme no terreno provocando efeitos diferenciados nas culturas e nos diferentes talhões. Paris (1983) observou que a discriminação das culturas de milho e soja foi muito melhor em condições de solo seco para a banda C com um escaterômetro terrestre. Em condições de solo úmido, resultados significativos foram alcançados utilizando-se a técnica de despolarização. D’Iorio et al. (1995) afirmaram que a resolução espacial do Radarsat não interferiu significativamente na discriminação de áreas com arroz irrigado em estágios iniciais, culturas frutíferas (pomares) e seringueiras. Porém, Ribbes e Le Toan (1998) observaram que o modo Standard S1 foi mais adaptado ao monitoramento de arroz irrigado em áreas da Indonésia que o modo Fine F3.

Do mesmo modo que dados multi ou hiperespectrais para sensores óticos, a utilização de imagens multifreqüência e multipolarização é aconselhada para aumentar o número de dados disponíveis para a discriminação das culturas (Paris, 1983; Anys e He, 1995b; Rennó, 1995). Paris (1983) usou duas bandas para conseguir separar milho de soja com 2 tipos de direção de plantio, criando uma fronteira de decisão para separar as duas culturas. O autor afirma que, por estas duas culturas terem estruturas bastante distintas, a separação é facilitada pelas diferenças de polarização e poder de penetração das bandas C e L.

Thomson et al. (1990), estudando a correlação ente as bandas C e X de um radar aerotransportado, mostrou que a baixa correlação entre seus dados produzia uma composição colorida com informações mais significativas que as imagens das bandas separadamente, melhorando a capacidade de mapear culturas.