Aplicações de Sensoriamento Remoto

2007 WILLIAM TSE HORNG LIU

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Capa Malu Vallim

Projeto grfico Daniel Neves

Diagramao Allzone Digital Services Limited

Reviso de textos Gislene Fernandes Soares e Helio Hideki Iraha Ficha catalogrfica elaborada pela Biblioteca Central da UNIDERP

Liu, William Tse Horng. L783a Aplicaes de sensoriamento remoto / William Tse Horng Liu.

Campo Grande: Ed. UNIDERP, 2006. 908 p: il. color.

Inclui bibliografia. ISBN 85-7704-040-0 eISBN 978-85-7975-177-6

1. Satlites - Sensoriamento remoto 2. Monitoramento I. Ttulo.

CDD 21.ed. 621.3678526.982

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Biografia

William Tse Horng Liu, nascido em Tungshiao, Taiwan, em 20 de agosto de 1942, foi premiado vrias vezes comoestudante padro e jovem padro durante o perodo em que cursou o ensino fundamental e o mdio. Em 1956 foipremiado na categoria Excelncia Acadmica com nota A em todas as matrias, um fato indito na histria doPrimeiro Colgio Estadual Taichung, onde estudou. Aps concluir o bacharelado em Cincia do Solo na UniversidadeNacional Chung Hsing, em Taiwan, foi aos Estados Unidos para realizar seus estudos de ps-graduao, obtendoseu mestrado na Universidade de New Hampshire, em Durham, em 1970, e seu Ph.D. na Universidade de Cornell,em Ithaca (Nova York), em 1974.

Ao longo de sua carreira realizou vrias visitas internacionais com fins cientficos, nas quais proferiu diversaspalestras, incluindo aquelas realizadas no International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics(ICRISAT), em Hyderabad, ndia, onde concluiu os estudos de ps-doutorado; na Diviso das Aplicaes Climticasdo NESDIS/NOAA e na Universidade de Missouri em Columbia por duas vezes como parte dos estudos de ps-doutorado; no Satellite Applications Laboratory do NESDIS/NOAA e no World Weather Center, em Camp Springs(Maryland), por duas vezes; no Goddard Space Flight Center (GSFC), da Nasa, em Greenbelt (Maryland); no WorldAgricultural Outlook Board/USDA, em Washington D.C.; na Universidade Estadual de Colorado, em Fort Collins; noWinand Staring Centre for Integrated Land, Soil and Water Research (SC-DLO), em Wageningen, Holanda; noInstituto Nacional de Tecnologia Agrria (INTA), em Buenos Aires, Argentina; no Servio Florestal/USDA, emWashington D.C.; no Servio Geolgico em Pequim e Nanquim, China; no Servio Meteorolgico em Xangai, China;no Servio Meteorolgico em Taipei, Taiwan; na Universidade Nacional Chung Yang, em Taiwan; na Universidade deEstrasburgo, na Frana, e no Centro Nacional de Pesquisas Bioclimticas, em Avignon, Frana; na Ducks Unlimited ena Universidade de Tennessee em Memphis, entre outras.

Antes de lecionar na Universidade Nacional Chung Hsing, em Taiwan, trabalhou no Centro de Pesquisa Agropecuriado Trpico Semi-rido (CPATSA/Embrapa), em Petrolina, Pernambuco, em 1976. Como coordenador do Programa deSistema de Produo em rea de Sequeiro do CPATSA, desenvolveu vrios sistemas de captao de gua paraminimizar o risco da perda de produo na regio Nordeste brasileira. Em 1978, foi contratado pelo CentroTecnolgico (Cetec) de Minais Gerais, em Belo Horizonte, e desenvolveu o mtodo e produziu os mapas dezoneamento ecolgico das culturas energticas, incluindo cana-de-acar, mandioca e sorgo sacarino, para todos osEstados do Brasil em escala de 1:1.000.000. Tambm desenvolveu os mtodos alternativos de previso da safraagrcola, incluindo modelos estatsticos, modelos de processos fisiolgicos e modelos via satlite. Em 1988, foicontratado para lecionar no Departamento de Cincias Atmosfricas do Instituto Astronmico e Geofsico daUniversidade de So Paulo. Criou o Laboratrio de Aplicaes de Sensoriamento Remoto, desenvolveu as tcnicasde previso de safra agrcola via satlite e executou as validaes de mtodos de estimativa de parmetrosbiofsicos, tais como albedo, temperatura da superfcie e balano de energia da superfcie via satlite NOAA emcampo. Em 2000, foi contratado pela Universidade Catlica Dom Bosco, em Campo Grande, Mato Grosso do Sul, edesenvolveu tcnicas de previso de cota, cheias e tendncia de eroso da bacia do rio Alto Paraguai (BAP),mtodos de zoneamento ecolgico-econmico aplicando o modelo de Sistema de Informaes Geogrficas emodelos de manejo sustentvel dessa bacia hidrogrfica. Por meio desses vrios projetos, foram gerados os mapasda base cartogrfica e dos usos atuais do solo da BAP em escala de 1:100.000 e desenvolvidos o plano sustentvelde manejo da bacia do rio Miranda e o plano de manejo do Parque Estadual do Rio Alto Taquari.

Tem a honra de ser membro da equipe de revisores da revista internacional International Journal of Remote

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Tem a honra de ser membro da equipe de revisores da revista internacional International Journal of Remote

Sensing desde 2002. Seus trabalhos publicados incluem: revistas nacionais (5), revistas internacionais (11),simpsios e congressos (103), relatrios tcnicos (23), captulos de livros (2), palestras proferidas (44) epublicaes em lngua chinesa (7).

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Prefcio segunda edio Os mil exemplares da primeira edio do livro Aplicaes de Sensoriamento Remoto esgotaram no incio do ano de2014. Visando dar continuidade s aquisies do livro por leitores e s facilidades para a pesquisa e o ensino narea de Sensoriamento Remoto, tomei a deciso de publicar esta segunda edio com o apoio da Editora Oficina deTextos. Nesta edio, alm de corrigir os erros ocorridos na primeira edio, acrescentei o Cap. 16, ModeloUniversal de Previso de Safra Agrcola (MUPSA). MUPSA um modelo que pode ser aplicado para prever asprodues agrcolas para quaisquer tipos de vegetao em qualquer rea e para monitorar as evolues temporais eespaciais da superfcie do planeta Terra. Trata-se de um modelo indito internacionalmente, fruto valioso daintegrao dos conhecimentos nas diversas reas cientficas. Essa integrao s se tornou possvel com a visita, noano de 2008, ao Setor de Agrimensura e Geoprocessamento do Departamento de Engenharia Civil da Universidadede Viosa (MG), liderado pelo Prof. Dr. Carlos Vieira, especialista na aplicao do software Redes Neurais paraidentificar e classificar culturas usando os dados multi-espectrais, multi-temporais e multi-fontes. A visita foifinanciada pelo CNPq, por meio da Bolsa de Professor Visitante, pelo perodo de um ano. Gostaria de divulgar oMUPSA queles que tm interesse em aplicar esse modelo para prever as produes agrcolas e para monitorar asevolues temporais e espaciais de usos da terra do mundo inteiro.

Agradeo cordialmente o apoio da Sra. Hlida Machado Pelozio e do Sr. Marcel Iha, da Editora Oficina de Textos.Sem esse incentivo, seria impossvel realizar a divulgao desta segunda edio.

Curitiba, PR, junho de 2014.

William Tse Horng Liu, Ph.D.

[email protected]

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Prefcio primeira edio Apresentaes extensas sobre os fundamentos tericos de sensoriamento remoto via satlite e suas aplicaespodem ser encontradas nos dois volumes do livro, chamado Manual de Sensoriamento Remoto (Manual of RemoteSensing), editado por Colwell em 1985. Os contedos das aplicaes baseiam-se nos resultados das pesquisasobtidas nas dcadas de 1960 e 1970 e no incio da dcada de 1980. Os avanos das aplicaes nas diversasdisciplinas somente podem ser encontrados nas revistas, tais como international Journal of Remote Sensing,Remote Sensing of Envrionment, IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sening, International Journal ofPhotogrammetry and Remote Sensing, e nos artigos de outras revistas que contestam as aplicaes dos dadosadquiridos por satlites nas diversas reas.

Desde a publicao de Colwell, passaram-se mais de 20 anos e sem que se pudesse encontrar outro livroabordando as aplicaes dos dados de sensoriamento remoto via satlite to abrangente. Este livro apresenta astcnicas modernas de sensoriamento remoto aplicadas em diversas disciplinas. Os trs motivos que me levaram aescrever este livro foram: fazer uma reviso mais ampla das potencialidades de aplicaes dos dados adquiridos porsatlites; escrever em Lngua Portuguesa para facilitar os ensinos e as pesquisas; fornecer sucintamente osconhecimentos bsicos das diversas disciplinas, principalmente nas reas de micrometeorologia, solo e fisiologiavegetal, entre outros, para ampliar suas aplicaes. Nesse contexto, as aplicaes atuais mais destacadas soapresentadas e revisadas e os avanos das pesquisas nas dcadas de 1960 a 1980, citados por Colwell, tambmso includos neste livro para formar um fluxo contnuo do assunto.

O livro recebeu o ttulo Aplicaes de Sensoriamento Remoto. O contedo apresentado em 15 captulos:fundamento terico; sistema de satlites; caractersticas espectrais de solo; caractersticas espectrais de vegetao;aplicaes em geologia; recursos hdricos; ndices de vegetao; balano de energia da superfcie terrestre;monitoramento das secas; usos do solo urbano; monitoramento de queimadas; previso de safra agrcola;processamento de dados de satlites; classificao de imagem digital e sistema de informaes geogrficas.

Considerando-se que o assunto das aplicaes de satlites ambientais envolve uma gigantesca gama das diversasdisciplinas e a cincia de sensoriamento remoto avana rapidamente, as contribuies significantes das aplicaesde dados de satlites so de fato vastas e dinmicas. Portanto impossvel englobar todas as descobertas e ascontribuies distintas nas diversas reas publicadas por todos os pesquisadores e profissionais em todas disciplinasneste espao limitado. Entre as contribuies das mais distintas, pode acontecer de algumas no terem sidodiscutidas neste livro. Suas opinies e crticas so importantes e bem-vindas. Espero que as informaesapresentadas por este livro sirvam para facilitar o trabalho de pesquisadores, professores, profissionais e alunos dealguma maneira, a fim de explorarem as possveis aplicaes dos dados de sensoriamento remoto via satlite nassuas especialidades.

Campo Grande, MS, janeiro de 2007.

William Tse Horng Liu, Ph.D.

[email protected]

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Agradecimentos Diretora-Geral da EDITORA UNIDERP, Profa. Maysa de Oliveira Brum Bueno, s Profas. Lcia Helena Paula doCanto, Edmara Moraes Veloso e Rbia de Oliveira Vasques, revisoras. Ao M. Sc. Aloizo Rodrigues dos Santos,assessor tcnico da Editora UNIDERP, e equipe, Daniel Neves, Ricardo Rojas, Adalberto Souza, Alex Joboji e KtiaBarbosa pela produo do livro; ao Prof. Dr. Edson Kassar, Departamento de Fsica da UFMS, Prof. Dr. GutembergFrana, Departamento de Cincias Atmosfricas, UFRJ, e Dr. Ronbinson Negon Juarez, School of Earth andAtmospheric Sciences, Gergia Institute of Technology, Atlanta, Gergia, USA, que revisaram o contedo cientficocontribuindo valiosas sugestes. Ao meu filho Shinjen A. Liu e Daniel Neves, que revisaram e finalizaram a artegrfica das figuras, tabelas, contedo, formato e diagramao.

Sra. Teresinha S. Martins, do WWF Regional do Estado de Mato Grosso do Sul; Profa. Cristina Frana MonteiroKassar, FUNLEC, e Sra. Rachel Rabello Soriani, Secretria Estadual de Meio Ambiente/MS, que revisarampreviamente este livro, e ao Sr. Edson Luis Santiami, tcnico do Laboratrio de Geoprocessamento da UCDB, queproduziu previamente as figuras e as imagens para o livro. Ao Dr. Andr Luiz Farias de Souza do Centro de Previsesdo Tempo e Estudos Climticos; ao Rafael Galvan Barbosa Ferraz, aluno do Programa de Mestrado emDesenvolvimento Local; aos acadmicos do Programa de Iniciao Cientfica, incluindo: Maria Fernanda HungriaCabral, Priscila Quevedo Monteiro, Moacir Ademilson Stumpf, Frederico Lcio Pereira, Suelen Ferreira dos Santos,Bruna Peixoto Fonseca; aos estagirios do Laboratrio de Geoprocessamento, incluindo Gustavo Ferreira de Souza,Paulo Jun Adachi Kanazawa e aos demais acadmicos da UCDB, que contribuiram para o desenvolvimento do livro.

S a ajuda desses queridos colegas e alunos tornou possvel apresentar este livro dentro da perfeio que condizcom nossa humanidade.

Campo Grande, MS, janeiro de 2007.

William Tse Horng Liu

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Fundamento Terico

Livro Outubro.indb 1 14/11/2006 12:25:16

Fundamento terico

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1.1 Introduo

O satlite uma mquina fantstica que possui lentes em vrios comprimentos de onda eletromagntica e vigia cada pedao do planeta Terra para informar rapidamente e minuciosamente o que est acontecendo nele em uma altitude de 822 quilmetros e em uma velocidade que demora de 101,4 minutos para circular o globo terrestre de um plo ao outro, de uma vez. Essas lentes vivas so compostas de um conjunto de sensores que captam vrias faixas de energia da onda eletromagntica, que se originam da radiao solar refletida e emitida pelos objetos presentes na superfcie da Terra.

Por que o satlite pode ver nitidamente ruas, carros, plantaes, florestas, rios, montanhas e outros, com altitude e velocidade to altas? Para responder a essa questo, primeiro, importante saber que a energia solar um tipo de energia eletromagntica composta de uma determinada faixa de onda. As caractersticas e magnitudes das energias refletidas e emitidas pelos objetos e captadas pelos sensores so fontes essenciais de informaes para saber identificar os objetos. Portanto, preciso conhecer a energia eletromagntica, suas propriedades de propagao e interaes com os objetos na superfcie.

Alm disso, para saber qual o limite terico a partir do qual um sensor de satlite pode identificar os alvos na superfcie terrestre, comparada a velocidade do satlite com a velocidade de registrar os sinais manifestados pelo alvo na superfcie. O registro dos sinais do alvo pelo sensor de um satlite depende da altura e velocidade do satlite.

A intensidade de energia eletromagntica diminui quando a distncia entre o sensor e o alvo aumenta. A diminuio da intensidade igual distncia ao quadrado. Considerando que a altitude do satlite seja de 822 km, tal como Satellite Pour lObservation de la Terre (SPOT), por exemplo, a velocidade do satlite o fator crucial para calcular sua capacidade de identificar o alvo na superfcie, porque ele passa rapidamente e o sensor tem seu limite de tempo para registrar as informaes do alvo.

A energia manifestada pelo alvo na superfcie pode ser considerada inalterada em um curtssimo perodo de tempo. O problema que o sistema de computador do sensor deve registrar rapidamente os sinais manifestados pelo alvo antes que o sensor passe para outro. Portanto, preciso comparar as velocidades de satlite e a velocidade da energia eletromagntica para calcular o limite da resoluo espacial do satlite. O limite mximo da velocidade da gravao de um computador a velocidade de energia eletromagntica que igual velocidade da luz no vcuo, ou seja, 300.000 km/s. J um satlite, do tipo SPOT, em uma altitude de 822 km gasta 101,4 minutos para circular o globo a uma s vez. O semi-eixo equatorial de 6.378,4 km e a circunferncia de 40.076,7 km. A rbita do SPOT em uma altitude de 822 km de 45.242 km. A velocidade do SPOT de 446,2 km/min, isto , 7,44 km/s. Considerando a velocidade da gravao de 300.000 km/s, que 40.344 vezes mais rpida do que a do satlite, cada sensor do satlite pode registrar 40.344 informaes quando o satlite passa a uma distncia de 7,44 km em cada segundo. Dividindo os 40.344 registros por 7,44


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remoto a serem desenvolvidas para estudar as propriedades das radincias que so espalhadas, absorvidas, refletidas e remetidas por um objeto atingido por uma onda eletromagntica artificial. O efeito Brewster o caso de uma onda eletromagntica polarizada que incide verticalmente na superfcie plana da gua e toda a energia penetra na gua.

1.4 Espectro energia eletromagntica

A energia eletromagntica possui as trs propriedades, incluindo comprimento da onda (), freqncia () e amplitude (A). O comprimento da onda a distncia de um pico da onda ao outro. A freqncia mensurada pelo nmero das ondas que passam por um ponto fixo em um segundo. A unidade da freqncia definida como hertz (Hz). Por exemplo, um Hz uma oscilao a cada segundo. A amplitude a altura de cada pico que a metade da distncia entre o pico mximo e o pico mnimo. A figura 1.2 mostra as relaes entre essas trs propriedades:

a) a amplitude = A, a freqncia = e o comprimento da onda = ; b) a amplitude = A, a freqncia = 2 e o comprimento da onda = /2; c) a amplitude = A/2, a freqncia = e o comprimento da onda = .

Figura 1.2 Propriedades da onda de energia eletromagntica: a) a amplitude = A, a freqncia = e o comprimento da onda = ; b) a amplitude = A, a freqncia = 2 e o comprimento da onda = /2 ; c) a amplitude = A/2, a freqncia = e o comprimento da onda = .


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1.7.1 Janelas atmosfricas

A atmosfera do planeta Terra no totalmente transparente radiao solar porque os gases e aerosis formam barreiras que impedem que essa radiao chegue superfcie terrestre. Mas, a atmosfera seletivamente transmite quase totalmente a radiao em determinadas faixas de comprimento da onda eletromagntica. Essas faixas de comprimento da onda, incluindo ultravioleta e visvel (0,30 a 0,75 m), infravermelha prxima (0,77 a 0,91 m), infravermelha termal (8 a 9,2 m e 10,2 a 12,4 m) e microondas (7,5 a 11,5 mm e >20 mm), so chamadas de janelas atmosfricas. Fora dessas bandas, a energia da radiao eletromagntica atenuada severamente. Assim, os sensores de satlites so desenhados nas faixas de janelas atmosfricas que tentem evitar ao mximo o efeito das atenuaes atmosfricas. A figura 1.8 mostra nas vrias faixas de comprimento da onda que a atmosfera relativamente transparente radiao solar. Os sensores do monitoramento da superfcie terrestre so desenhados nas faixas com alta transmitncia atmosfrica. Nas bandas de submilmetro e infravermelho longo, a absoro quase total pelos constituintes atmosfricos. Por isso, o sensoriamento remoto da atmosfera concentrado nessa faixa de ondas.

Figura 1.8 Porcentagens de transmitncia da radiao solar na camada atmosfrica nas vrias faixas de comprimento da onda de energia eletromagntica. Fonte: (IGBAL, 1983).


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1.9 Potencial de aplicaes

Uma disciplina nova chamada Cincias de Sistema Terrestre (Earth System Sciences) surgiu recentemente pela necessidade de aprimorar o entendimento do sistema do planeta Terra, como ele est funcionando em escala global. Cincias de Sistema Terrestre investiga como o componentes do globo e sua interaes funcionam atualmente e prev suas tendncias no funcionamento no futuro pela agregao de todas as disciplinas clssicas, tais como Geocincias, Biologia, Micrometeorologia, Pedologia e outras, e as disciplinas modernas, tais como Sensoriamento Remoto, Cincias Espaciais, Sistema de Informaes Geogrficas, Cincias de Computao, e outras. Isto envolve freqentemente um treinamento e trabalho multidisciplinar.

As aplicaes atuais da Cincia de Sensoriamento Remoto via satlite abrangem monitoramento dinmico de usos de solo e evolues de biodiversidade, recursos naturais, precipitao, clima, manejo dos recursos hdricos da superfcie, explorao dos recursos hdricos no subsolo, inventrio e monitoramento de usos do solo, das pastagens e das coberturas vegetais, monitoramento da produo primria das florestas e pastagens, monitoramento das ocorrncias dos eventos catastrficos, tais como geadas, enchentes, secas, doenas e pragas das culturas, monitoramento dos focos de queimadas, mapeamento topogrfico, monitoramento da degradao e eroso de solos, estudo das mudanas climticas, e outros. O objetivo mais urgente no presente estado da comunidade de Cincias de Sistema Terrestre o estabelecimento de um banco de dados globais que possa ser utilizado por todos os cientistas, para investigar e estudar os diversos processos que ocorrem nas vrias esferas, tais como biosfera, geosfera e atmosfera do planeta terrestre (LANDGREBE, 2005). Neste livro, abordam-se os fundamentos tericos e suas aplicaes de satlites ambientais.

Figura 1.16 Mapa de distribuio de plantao das culturas de uva, feijo, linho, trigo, floresta, beterraba e batata pelos dados de 4 combinaes de polarizaes da microonda (HH, HV, VH e VV) obtidos pelo RADARSAT. Fonte: (FREEMAN et al., 1994).


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Sistema de satlites


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2.1 Histria dos satlitesO desenvolvimento da tcnica de sensoriamento remoto via satlite pode ser

dividido em duas pocas: uma antes do lanamento do primeiro satlite pelos Russos em 04 de outubro de 1957, em que a tcnica de fotografia area era a nica tcnica e a outra, aps essa data, em que os diversos sensores de satlites foram desenvolvidos com o rpido avano do programa espacial. A idia de desenvolver uma mquina fotogrfica foi originada por um experimento chamado Cmera Obscura, conduzido por Aristteles cerca de 2300 anos atrs. Desde essa poca, vrios experimentos foram conduzidos pelos cientistas entre os sculos XIII e XIX. Em agosto de 1839, os Franceses Louis Jacques Mandem Daguerre e Joseph Nicephoce declararam que desenvolveram o primeiro processo de revelao de filme da fotografia chamado Daguerratype que removia o produto qumico no reagido separando-se com o reagido para produzir a imagem fotogrfica.

Em 1859, Gaspard Felix Tournachon fotografou a bordo de um balo a paisagem da superfcie terrestre em uma vila perto de Paris chamada Petit Becetre. Em 1860, Samuel A. King e James W. Black fotografaram a cidade de Boston a bordo de um balo a uma altura de 400 metros. No fim do sculo XIX, as tcnicas de fotografia moderna j estavam disponveis. Durante a Primeira Guerra Mundial, os militares usaram avio para tirar fotografias da superfcie terrestre. Nesse tempo surgiram as primeiras fotografias areas histricas. Entre a Primeira e a Segunda Guerra Mundial, as tcnicas de fotografia area foram aplicadas para levantamento de recursos naturais, tais como formaes geolgicas, florestas, solos, agricultura e para a elaborao dos mapas cartogrficos. O crescente uso de fotografias areas incentivou o aprimoramento das tcnicas de sensoriamento remoto. Durante a Segunda Guerra Mundial, as tcnicas de fotografia area do infravermelho termal e radar de microonda ativa foram desenvolvidas, mas somente aps a Segunda Guerra Mundial, que foi possvel utilizar um sensor radiomtrico capaz de detectar os sinais de radiao eletromagntica e um computador com capacidade de gravar e armazenar rapidamente os imensos dados adquiridos.

Os Estados Unidos lanaram o segundo satlite, chamado Explorer 1 no dia 31 de janeiro de 1958. As tecnologias aeroespaciais e de satlites avanaram rapidamente aps a criao de um centro de pesquisa nos Estados Unidos, a National Aeronautics and Space Administration (NASA), no dia 1 de outubro de 1958. O primeiro satlite que carregou instrumentos meteorolgicos foi o Vanguard 2. Lanado no dia 17 de fevereiro de 1959, ele tinha um par de clulas fotogrficas atrs da lente para registrar as imagens visveis, mas infelizmente, no registraram as imagens porque o foco dos dois celulares fotogrficos se cruzaram. A primeira fotografia obtida por via satlite deu-se pelo Explorer 6 da NASA em 7 de agosto de 1959, mas os sensores de radimetros tambm falharam ao registrar os valores digitais. O primeiro sucesso no registro de dados meteorolgicos foi com o lanamento do Explorer 7 no dia 13 de outubro de 1959, que produziu pela primeira vez mapas globais da radiao solar refletida e da radiao de infravermelho emitida. O primeiro satlite exclusivamente destinado para fins meteorolgicos foi lanado no dia 1 de abril de 1960, denominando-se Television and Infrared Observational Satellite, (TIROS 1), que foi o vigsimo segundo


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Figura 2.7 Cinco tipos de espalhamentos incoerentes dos sinais no-recebidos pelos sensores de radar por causa das diferentes formas e rugosidade da superfcie: superfcie espelhada, terrenos ondulados e terrenos rugosos (3 figuras de cima) e paredes verticais, copas das vegetaes (2 figuras de abaixo). Fonte: (CORINA et al., 2003).

A resoluo espacial dos sensores de radar de visada lateral e do SAR composta de duas resolues: resoluo azimutal e resoluo radial. A figura 2.8 mostra uma rea definida pelas resolues azimutal e radial (rea cinza) que a resoluo espacial calculada pelas equaes 2.5 a 2.7.

A resoluo azimutal de radar calculada pela equao (2.5):

a = h / cos = h / L cos (2.5)

Em que: a = resoluo azimutal; = ngulo de abertura do sensor;h = altura do sensor; = ngulo de incidncia; = comprimento da onda;L = distncia da cobertura na direo do vo.

A resoluo azimutal do SAR calculada pela equao (2.6):

a = L/2 (2.6)


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da constante dieltrica dos alvos, o ngulo de incidncia e a geometria do alvo afetam a intensidade de sinais polarizados retornados. A interferometria de imagens SAR uma tcnica para estimar a diferena de fase de sinais retornados do mesmo pixel adquiridos pelas duas antenas do SAR. Essa tcnica pode ser aplicada para separar a intensidade de sinais de retorno causada pelas propriedades dieltricas do alvo pela rugosidade, ngulo de incidncia e inclinao da superfcie do alvo e serve para gerao de modelo digital do terreno, Digital Elevation Model (DEM), com alta preciso. As descries detalhadas sobre os fundamentos tericos e as aplicaes das imagens adquiridas pelo SAR e pela interferometria em diversas disciplinas podem ser encontradas no livro publicado por Floyd e Lewis (1998).

2.4.2.4 Sensores de LIDAR

Os sensores de Light Detection and Ranging (LIDAR) usam um pulso do laser para medir a distncia entre o sensor e a superfcie da Terra (FLOOD; GUTELIUS, 1997). O posicionamento de uma rea rastreada pelo escaneador registrado pelo Differential Global Positioning System (DGPS). Os limites de uma unidade de rea posicionam cada ponto a ser identificado e registrado pelo DGPS (WEHR; LOHR, 1999). Um modelo digital da superfcie, chamado Digital Surface Model (DSM), pode ser gerado automaticamente baseado nos dados de elevao dos pontos registrados. O DSM fornece as informaes de geomorfologia e feies da superfcie terrestre e fisionomias da morfologia da superfcie. A separao dos elementos dessas paisagens na superfcie de um DSM cria um modelo digital de terreno, Digital Terrain Model (DTM) e um modelo de altura das copas de vegetao e dos prdios. Esse modelo de altura pode fornecer as informaes de altura, densidade, cobertura das copas e biomassa das rvores para caracterizar a estrutura das florestas.

Figura 2.9 Resoluo radial no plano horizontal (r) em relaes ao ngulo de incidncia de um sistema de radar de visada lateral. Fonte: (CORINA et al., 2003).


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tecnolgicos permitem qualificar o Landsat 7 como o satlite mais interessante para a gerao de imagens pancromticas com aplicaes diretas at a escala 1:75.000, em reas rurais principalmente, mesmo em grandes extenses de territrio, como acontece freqentemente no Brasil.

O Landsat 7 pode adquirir imagens de uma rea que se estende desde 81o de latitude norte at 81o de latitude sul e obviamente, em todas as longitudes do globo terrestre. Uma rbita do Landsat 7 realizada em aproximadamente 99 minutos, permitindo ao satlite dar 14 voltas na Terra por dia, completando a cobertura total do nosso planeta sendo completada em 16 dias. A rbita descendente, ou seja, de norte para sul, o satlite cruza a linha do equador entre 10h e 10h15min na hora local em cada passagem. O Landsat 7 heliossincronizado, ou seja, sempre passa num mesmo local no mesmo horrio solar. Outro fato importante que o satlite Landsat 7 tem o mesmo perodo de revisita que o Landsat 5 (17 dias) e a sua rbita resultou na mesma grade de referncia do Landsat 5 e tem a mesma rea imageada (185 x 185 km por cena). A conservao destes parmetros tcnicos facilita o processo de pesquisa de imagens, pois pode ser feito com a mesma grade de referncia e a perfeita integrao no processamento das imagens do Landsat 7 com os dados histricos do Landsat 5, existentes desde 1985, no caso de utilizao dos dois tipos de dados simultneaos no mesmo projeto para a mesma rea como, por exemplo, em estudo multitemporal.

Figura 2.13 Imagem Landsat 7 ETM+ R/G/B 5/4/3, Cena 224/74 do ano de 2002 mostra a regio metropolitana de Campo Grande, capital do Estado de Mato Grosso do Sul, Brasil. Fonte: (LIU, et al., 2005).


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QuickBird II Caractersticas

Data de lanamento 18 de outubro de 2001

Veculo de lanamento Boeing Delta II

Local de lanamento Base de Fora Area em Vandenberg, Califrnia

Capacidade de armazenamento de dados 128 Gbytes, aproximadamente 57 reas de imagens simples.

Altitude da rbita 450 km

Inclinao da rbita 98 graus, sincronizada com o Sol

Velocidade 7,1 km / segundo

Horrio de passagem 10h30min

Durao da rbita 98 minutos

Capacidade de envio de dados 320 Mbps em banda X

Peso, tamanho 953 kg, 3,04 m de comprimento

Tempo de vida til No mnimo 7 anos

Tempo de revisita 1 a 3,5 dias, dependendo da latitude (30o off-nadir)

Largura do imageamento 16,5 km x 16,5 km, no nadir

Preciso mtrica latitudinal: 23 mlongitudinal: 17 m

Digitalizao 11 bits

Resoluo PAN: 61 cm (nadir) e 72 cm (25o off-nadir)

Multiespectral: de 2,44 m (nadir) at 2,88 m (25o off-adir)

Formatos disponveis GeoTIFF 1.0, NITF 2.1 ou NITF 2.0

Bandas

Pancromtica 450 - 900 nm

Azul: 450 - 520 nm

Verde: 520 - 600 nm

Vermelho: 630 - 690 nm

Infravermelho prximo: 760 - 900 nm

Tabela 2.9 Data de lanamento e caractersticas do satlite QuickBird II. Disponvel em: acesso em 10 de abril de 2004.


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2.5.12 NOAA

O programa de satlites da srie NOAA gerenciado por meio do National Environmental Satellite Data and Information Service (NESDIS/NOAA) e pela NASA, que responsvel pelo desenvolvimento e lanamento dos aparelhos. Este programa comeou com a denominao Television and Infrared Observation Satellite (TIROS) e foi desenvolvido pela NASA e pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos na tentativa de desenvolver um sistema de satlites meteorolgicos. Entre 1960 e 1965 foram lanados dez satlites TIROS. Entre 1966 e 1969, foram lanados nove novos satlites, denominados TIROS Operational Satellites (TOS), operados pela Environmental Science Services Administration (ESSA), pertencente NOAA. No dia 23 de janeiro de 1970, foi lanado o Improved TIROS Operational System, (ITOS) que o TOS aperfeioado. O lanamento do ITOS iniciou a primeira gerao da srie de NOAA satlites que incluam sensores infravermelhos. Posteriormente os cinco satlites da srie ITOS M foram renomeados para NOAA 1, NOAA 2, NOAA 3, NOAA 4 e NOAA 5.

No dia 13 de outubro de 1978 foi lanado o satlite da srie TIROS N, que era a segunda gerao da nova srie de satlites, na qual se incluem o NOAA 6 e o NOAA 7. Essa srie foi substituda a partir de 1983 pela srie Advanced TIROS N (ATN) com

Figura 2.22 Imagem obtida pelo EOS AM-1 ASTER, mostrando o ponto de encontro do Rio Negro, da cor negra, indicando alta concentrao de minerais, com o Rio Salomo da cor marrom indicando alta concentrao de sedimento. Imagem obtida no dia 16 de julho de 2000 pela equipe cientifica dos Estados Unidos e Japo. Disponvel em: acesso em 16 de julho de 2005.


Sistema de satlites

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Os principais sensores do satlite GOES so os radimetros nas bandas de visvel e infravermelho. O satlite gira a cem rotaes por minuto. Em cada rotao, um radimetro de alta resoluo varre a superfcie terrestre de oeste para leste. Em geral, nos satlites GOES, os instrumentos Visible-Infrared Spin Scan Radiometer (VISSR) fornecem maior capacidade para uma sondagem atmosfrica. A maioria dos instrumentos so formalmente denominados como Vertical VISSR Atmospheric Sounder (VAS). O VAS permite uma viso multiespectral adicional. O modo de rastreamento multiespectral permite coletar e transmitir dados provenientes de trs canais infravermelhos diferentes, em adio ao canal visvel. Nesse caso, as resolues espaciais so de 1 km no nadir para o canal visvel e 13,8 km para os canais do infravermelho.

2.5.14 METEOSAT

A srie METEOSAT iniciou-se em 1977, como resultado de uma iniciativa da Agncia Espacial Europia (ESA) para a produo de dados primrios relacionados previso de tempo e s condies meteorolgicas. Em 16 anos, foram lanados sete satlites da srie METEOSAT, culminando com o posicionamento em rbita geoestacionria do METEOSAT 7, em 2 de setembro de 1997. O METEOSAT situa-se na altitude de 35.800 km acima da linha do equador com inclinao de 5o cobrindo 42% da superfcies do globo, incluindo: Alemanha, ustria, Blgica, Dinamarca, Espanha, Finlndia, Frana, Irlanda, Itlia, Noruega, Pases Baixos, Inglaterra, Sucia e Sua (figura 2.23).

Figura 2.23 As coberturas globais dos satlites estacionrios. Disponvel em: acesso em 3 de janeiro de 2004.


Caractersticas espectrais de solo



101

3.1 Introduo

Com a crescente preocupao com a degradao do planeta Terra causada pelo uso imprprio do solo, as pesquisas nas reas de desenvolvimento das tcnicas modernas de medio, previso e controle de eroso e conservao e recuperao do solo so muito ativas (TOY; FOSTER; RENARD, 2002). As tcnicas rpidas e eficientes para identificar e delinear usos do solo, identificar as propriedades qumicas e fsicas do solo, delinear os limites de tipos do solo e, conseqentemente, classificar e mapear tipos de solo so fundamentais para monitorar, diagnosticar e planejar as aes na conservao e na preservao dos recursos naturais. As tcnicas de fotografias areas so utilizadas tradicionalmente no levantamento do solo.

Com o recente avano da tecnologia espacial, os satlites de alta resoluo temporal e espacial oferecem possibilidades ilimitadas para desenvolver tcnicas viveis para monitorar as condies de usos do solo em tempo real. As imagens e os dados digitais dos satlites Landsat, SPOT, IKONOS e TERRA/MODIS so empregados para facilitar levantamento e delineamento de tipos e de usos do solo. Antes, a apresentao das aplicaes dos dados de sensoriamento remoto nas reas, os conhecimentos bsicos de cincias do solo, tais como perfil do solo, propriedades fsicas e qumicas do solo e outros so apresentados brevemente para facilitar suas aplicaes. Os fundamentos tericos e as aplicaes das tcnicas no monitoramento dos movimentos de gua nos solos saturados e no saturados so apresentados no Captulo 9.

3.2 Natureza e propriedades de solo

3.2.1 Perfil de solo Pode-se ver algum trecho de solo exposto na beirada de uma estrada, quando

se viaja. Observa-se que o solo tem materiais soltos depositados sobre as rochas como mostra a figura 3.1. Um perfil tpico de solo consiste em solo de superfcie, subsolo e substrato. As camadas, que formam um perfil de solo, so representadas por quatro letras: O, A, B e C. As subdivises destas so chamadas horizontes. A figura 3.2 apresenta um perfil tpico de solo. A camada O o horizonte orgnico que se forma sobre o solo mineral. Esta uma conseqncia de decomposio das plantas e animais mortos. O horizonte A, chamado horizonte iluvial, o horizonte de minerais, que fica perto da superfcie. O horizonte mineral a zona de lixiviao. O horizonte B, chamado horizonte aluvial, a camada que recebe os depsitos vindos de cima ou de baixo. Esse horizonte a regio que acumula os minerais, tais como xidos de ferro, alumnio, silicatos de argilas, carbonatos de clcio, fosfato de clcio e outros.

O perfil estratificado, chamado solo (solum), incluindo horizontes A e B, a zona de um perfil desenvolvido por meio de processo de formao do solo sob a influncia do clima. O horizonte C consiste em materiais no consolidados abaixo



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3.3.1 Cores de solo

A cor geralmente usada para distinguir os grandes grupos de solos. Os tipos do solo geralmente podem ser distinguidos baseados nas cores e tonalidades do solo. Todos os tipos de solo tm suas caractersticas de reflectncia espectrais ligadas s suas cores especficas. A cor do solo includa na discrio do perfil do solo.

O sistema Munsell da roda de cores oferece um sistema para descrever as trs propriedades da cor: brilho, matiz e pureza, O sistema foi adaptado para estabelecer o sistema padro das cores do solo. A figura 3.6 mostra esse sistema. O brilho a intensidade da cor com escala de 10 a zero que corresponde de branca a preta situada no eixo central da roda de cor. O matiz descreve a cor localizada na superfcie da roda de cores no sistema da cor Munsell. A pureza o grau de mistura das cores complementares que diminui a pureza quando a cor se afasta da superfcie direcionada ao centro da roda e se aproxima a cor complementar no lado oposto da roda. Por exemplo, na descrio de um perfil do solo, geralmente encontram-se os dados de descrio pelo sistema Munsell da roda de cores como:

2,5 YR 3/6.

YR Y = Yellow (amarelo) e R = Red (vermelho);2,5 YR 25% de R e 75% de Y;3 3 so 30% de valor da saturao (a preta = 0 ou 0%; a

branca = 10 ou 100%) nesse caso, 3 significa cinza-escuro;6 6 so 60% da pureza de cor na escala da pureza

(sem cor = 0 ou 0%; a cor pura = 10 ou 100%).

A figura 3.6 mostra o sistema Munsell da roda de cores. As cores comeam em Red (R), passam por Yellow (Y), Green (G), Blue (B), Purple (P) e voltam para Red (R). A roda subdividida em dez escalas de cor: R RY Y YG G BG B BP P PR. As dez cores so ainda mais subdivididas em cinco escalas entre si. A figura 3.7 mostra as variaes das cores em tridimensionais baseadas nesse sistema. A tabela 3.1 mostra as porcentagens de cores e suas apresentaes entre essas escalas de cor.

A tonalidade visualizada como a reflectncia do espectro da cor dominante que corresponde reflectncia da faixa do comprimento da onda detectada pelo sensor de satlite nas faixas de visvel a infravermelho prximo (0,4 a 1,0 m). O valor refere-se ao brilho relativo da cor ou intensidade de reflectncia que em funo da quantidade total da luz refletida. No caso de no refletir nenhuma radiao, o valor zero e a cor preta. Pureza a cor na sua intensidade mxima que se situa em uma determinada faixa de cor na superfcie da roda de cores.

A cor da superfcie do solo, que diferente da cor do material parentesco do fundo, pode ser utilizada para prognosticar o processo da formao do solo e tambm para identificar os processos de eroso ou desertificao pela deposio excessiva de sais minerais. Obukhov e Orlov (1964) observaram que quase todos tipos de solos so intimamente ligados com as reflectncias das caractersticas espectrais das cores. Reflectncia mnima ocorre na faixa espectral de violeta azul que varia de 13% da reflectncia nos perfis de solos profundos com cor escura, tais como os solos ocupados



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Tabela 3.2 Faixas de tamanho da textura de solos das classes classificadas por ISSS e USDA.

Figura 3.8 Denominaes das diferentes combinaes de areia, limo e argila, representadas pelo tringulo textual baseado na classificao do USDA. Fonte: (KLAR, 1984).



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Figura 3.12 Distribuio espacial de propriedades de solo na regio de Zvaim Heights, Israel, mapeada com os dados de sensores hiperespectrais a bordo do avio DAIS-7915: a. condutividade eltrica; b. umidade de solo; c. materiais orgnicos; d. umidade de solo saturado, e. mapa base. Fonte: (BEN-DOR et al., 2002).


Caractersticas espectrais de vegetao



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4.1 Introduo

A reflectncia da radiao solar pela copa da vegetao envolve as reflectncias conjunturais de vrios fatores, incluindo estrutura da planta, estgio de crescimento, propriedades fsicas e qumicas de solos na superfcie e condies atmosfricas. A heterogeneidade da paisagem criada pela natureza me, apesar de ser fascinante, complica a identificao e interpretao da reflectncia da radiao dos seres criados por ela. Mas graas singularidade de cada ser vivo que se manifesta pela sua assinatura espectral eletromagntica possvel extrair as informaes distintas que se repetem em um padro de forma reconhecvel. As caractersticas de reflectncia de solos j foram discutidas no Captulo 3. Nesta seo, sero apresentadas as caractersticas de reflectncias de uma nica folha e uma copa da vegetao pelos espectrorradimetros em laboratrios e campos. As suas identificaes e classificaes pelas imagens digitais de fotografias areas e satlites sero apresentados no Captulo 14.

4.2 Estrutura de uma folha

A figura 4.1 mostra a anatomia do corte transversal de uma folha. A epiderme envolve uma folha por meio de uma camada de clulas simples sem espaos intercelulares, com exceo dos estmatos. O citoplasma das clulas epidrmicas incolor, contendo pouco cloroplasto a nenhum. Do lado de fora, a epiderme tem uma cutcula prova de gua que contm cutina, material inerte e resistente degradao enzimtica provocada por microorganismos. um material protetor que, em alguns casos, aumenta de espessura quando a planta submetida a tenses. Folhas de plantas de cebola tm uma camada de cutina espessada quando submetidas a dficit de gua, inclusive adquirindo colorao mais cinza. Entre a camada superior e a inferior das clulas da epiderme, encontram-se as clulas que compem o mesfilo onde se encontra a clorofila. A clorofila o centro de fabricao de matrias secas pelo processo fotossinttico com a absoro de luz na faixa visvel (0,4 a 0,7 m). As clulas palidicas so alongadas e dispostas logo abaixo, em ngulo reto, da epiderme superior. As clulas lacunosas localizadas entre o parnquima palidico e a epiderme inferior esto irregularmente dispostas, surgindo cavidades cheias de gases e ligadas aos estmatos. O transporte de gua at as folhas feito por vasos que se ramificam por meio do mesfilo, e fazem parte do sistema vascular da planta.



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a alongamento dos caules. Os resultados foram correlacionados com um ndice chamado Relative Depth Index (RDI) para localizar os picos de absoro mxima. Observaram que dois picos de absoro mxima ocorreram nas bandas 0,965 a 1,085 m e 1,192 a 1,282 m. Apontaram que as faixas espectrais de absoro mxima da gua da plantao de trigo descolaram comparando-se com os picos de absoro ocorridos nas faixas de 1,45 m e 1,95 m observadas anteriormente.

4.5 Fatores fisiolgicos que afetam as reflectncias espectrais de uma folha

As caractersticas fisiolgicas de uma folha que afetam as reflectncias das diferentes faixas de comprimentos das ondas de energia eletromagntica da radiao solar so apresentadas a seguir.

4.5.1 Maturidade de folha

Comparando-se as folhas maduras bem estruturadas e esponjosas com as novas compactas, as maduras absorvem 5% mais na faixa VIS e refletem 15% mais na faixa NIR (figura 4.3). As transmitncias e reflectncias mltiplas nas vrias camadas de folhas de uma copa da vegetao resultam a reflectncia mxima de 75% na faixa NIR. A figura 4.5 mostra o aumento da reflectncia da energia eletromagntica na faixa de 0,75 a 1,35 m quando a folha do algodo aumenta sua idade e a posio da folha fica mais longe do pice. A reflectncia tambm aumenta quando a rea total de folhas da copa de vegetao aumenta. Um ndice chamado ndice de rea foliar (Leaf rea Index LAI) usado para medir a rea total das folhas. O LAI definido como a soma da rea total das folhas em uma rea da superfcie do solo de um metro quadrado. O aumento chega a um valor constante quando o LAI alcana um valor mximo. O aumento da reflectncia na faixa NIR o resultado das transmitncias, absores e reflectncias mltiplas das folhas.

4.5.2 Pigmentos

Uma folha madura e saudvel absorve cerca de 70% a 90% da radiao solar na faixa de 0,4 a 0,7 m por causa da presena dos pigmentos, incluindo carotenides (caroteno e xantofila, cor amarela), clorofila (cor verde) e antocianina (cor vermelha). Mas existe um pequeno pico de reflectncia na faixa de 0,55 m, que se manifesta em cor verde no estgio do crescimento vegetativo e em cor amarela na maturao (COLWELL, 1985).



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Figura 4.11 Alta absoro na faixa de 1,35 a 2,5 m das superfcies superiore e inferior da folha de pepermia, comparada com a superfcie superior de sorgo. Fonte: (GAUSMAN; ESCOBAR; KNIPLING, 1977b).

Figura 4.12 Reduo da reflectncia na faixa de 0,5 a 2,5 m das folhas de citros infiltradas por gua, comparando com as folhas infiltradas. Fonte: (WOOLLEY, 1971).


Aplicaes em geologia



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5.1 IntroduoO Sensoriamento Remoto Geolgico definido como a tcnica de anlise de

dados obtidos pelo sensoriamento remoto que monitora ou mensura as caractersticas fsicas e ou qumicas do ambiente geolgico esttico ou dinmico. As aplicaes de sensoriamento remoto nas vrias sub-disciplinas de Cincia Geolgica foram revisadas extensamente por Williams (1985). Bell, Campbell e Robinson (1999) apresentaram uma reviso geral de explorao dos recursos geolgicos planetrios do sistema solar usando as tcnicas de sensoriamento remoto. Este captulo concentra vrias aplicaes das disciplinas nas reas mais ligadas com o meio ambiente do planeta Terra. Por causa dos avanos rpidos das tecnologias espaciais e das tcnicas de processamento e anlise das imagens e dos dados digitais de sensoriamento remoto ao longo das ltimas trs dcadas, alguns exemplos das aplicaes nas Cincias de Geologia so apresentados neste captulo.

Teoricamente, os minerais tm suas assinaturas singulares no espectro da energia eletromagntica, os materiais presentes no planeta Terra podem ser identificados por suas reflectncias nas vrias bandas-chave de comprimento da onda da energia eletromagntica que so concentradas nas faixas de visvel, infravermelho prximo, infravermelho termal e microonda.

5.2 Geomorfologia

O mapeamento geolgico a principal ferramenta empregada pelos gelogos para entender a natureza do planeta Terra. Em uma determinada rea envolve apresentao das informaes de geomorfologia, litologia e estrutura tectnica das rochas. No mapa geomorfolgico encontram-se as caractersticas e naturezas das formas da superfcie do planeta. O mapa litolgico apresenta as caractersticas litolgicas e idade estratigrfica das rochas e o mapa de estrutura tectnica apresenta os arranjos das estruturas tectnicas das rochas. As experincias e as pesquisas no mapeamento geolgico so apresentadas nesta e nas duas sees seguintes.

A geomorfologia definida como a cincia que trata a configurao geral da superfcie do planeta, especificamente o estudo de classificao, descrio, natureza, origem, evoluo dinmica das paisagens e suas inter-relaes nas estruturas baixas, mudanas geolgicas histricas registradas pelas fisionomias dessas superfcies. O termo especificamente aplicado interpretao gentica das paisagens, mas tambm envolve os resultados gerados pelos processos de eroso e deposio dos minerais. Os mapas geomorfolgicos fornecem dois tipos de informaes: feies de relevos tridimensionais e fisionomias espaciais e temporais. A gerao do mapa de fisionomia tridimensional necessita dos dados de estereoscpio adquiridos por fotografias areas, mas no do mapa de fisionomia espacial. O mapa de fisionomia espacial fornece a variao espacial dos contrastes ou padres de tipos de solos e vegetao que podem ser gerados pelos dados digitais e imagens via sensoriamento remoto obtidos pelo avio ou satlite dependendo da resoluo exigida.



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5.5 Geologia econmica

Os gelogos so responsveis pela explorao de recursos minerais e energticos. A maioria dos estudos utiliza as fotografias areas e as imagens de alta resoluo espacial para diagnosticar os padres de formas lineares que so diretamente ligadas geomorfologia e indiretamente ligadas s estruturas geolgicas. As imagens de infravermelha termal podem ser aplicadas para levantamento e mapeamento das reas geotrmicas e vulces.

Salas (1975) observou que os depsitos de minas tm alta correlao com os cruzamentos dos principais lineamentos baseados na imagem de Landsat. Posteriormente, um estudo conjunto do grupo geolgico do governo Mexicano e da Unidade do Levantamento Geolgico dos Estados Unidos (US Geological Survey) confirmou que a regio tem depsitos de minas de cobre e molibdnio na regio de Sorona, no Mxico (RAINES et al., 1980). Keighley (1980) localizou o depsito aluvial de minas de estanho em Rondnia, no Brasil, usando as imagens compostas do Landsat. Os granitos que contm estanho ocorrem em um complexo de domos e anis com dimetro variando de 1 a 18 km ao longo da fragilidade das zonas tectnicas fracas, estendendo-se a uma distncia de 2.000 km do leste da Bolvia ao leste do Rio Xingu na regio de 45oN e 65oW. Na dcada 1980, a produo desses depsitos minerais foi de 6.000 toneladas de estanho por ano com o valor de US$ 100 milhes. A estimativa da reserva indica que a produo pode ser dobrado no futuro.

Miller (1977) demonstrou o uso da anlise visual na interpretao das imagens do Landsat para explorao de petrleo nos pases com carncia de mapas geolgicos detalhados tais como Sudo e Kenya. Definiu os lineamentos observados nas imagens de Landsat como parte de um sistema de fratura regional localizada no extremo norte da Lamu Embayment. Associou essas fraturas com a rachadura da greta no leste da frica e interpretou como uma falha imatura de juno tripla com um brao abrindo para o Cocho Rudolfo (Rudolf Trough) e outro estendendo para a Bacia Ogaden para explorao de petrleo. Posteriormente, a mina de petrleo foi explorada pela companhia de leo Chevron. Ford (1980) utilizou as imagens adquiridas pelo SEASAT SAR a bordo do satlite SEASAT para explorao de depsitos de hidrocarbonatos na regio sul das montanhas Apalaquianas. A imagem na figura 5.9 mostra as formas topogrficas com os lineamentos distintos. A possibilidade de depsitos de hidrocarbonatos favorvel nas zonas de fraturas porosas, particularmente nos cruzamentos dos lineamentos. A figura 5.10 mostra a imagem retificada do Landsat MSS banda 6 que tem a mesma rea da imagem do radar adquirida pelo SAR do SEASAT. Os lineamentos das montanhas Apalaquianas so idnticos, mas a imagem do radar mostra claramente os contrastes dos relevos na regio norte.



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muito rido e a topografia acentuada, com o surgimento das rochas bem evidentes que facilitam a interpretao das imagens Landsat TM. As zonas de alta alterao hidrotrmica, associadas com a mina de ouro, foram identificadas e delineadas com boa preciso e os resultados mostraram que a mina tem uma concentrao de ouro que varia de dezenas a centenas ppm.

Mostafa e Bishta (2005) extraram os dados de densidade e interseco dos lineamentos das rochas na regio de Gharib-Dara localizada no Deserto, Nordeste do Egito utilizando os dados de Landsat ETM+, fotografias areas e mapas existentes. Observaram que os lineamentos das rochas foram freqentemente interrompidos e localizaram as minas de Urano por meio da correlao entre a alta contagem de radioatividade e a densidade de cruzamento dos lineamentos.

5.6 Engenharia geolgica

As imagens adquiridas pelo sensoriamento remoto so freqentemente usadas para atualizar os mapas geolgicos pelos engenheiros especialistas. As imagens so utilizadas como uma ferramenta importante para planejamento, investigao, deteco das fisionomias distintas e no-distintas da superfcie e suas ligaes entre os pontos de observao em campo. Infelizmente, somente as imagens sozinhas no resolvem os problemas em uma investigao geolgica, mas so essenciais, se as investigaes exigidas forem completas. Inmeras aplicaes podem ser feitas com as informaes adquiridas pela tcnica de sensoriamento remoto, tais como: monitoramento, identificao e acompanhamento das reas designadas aos depsitos de lixos lquidos e slidos, lixos radiativos, aterros, minerao superficial, materiais de construo e posse de terra. A combinao certa da interpretao das imagens e dos dados coletados em campo permite que se alcance o objetivo em curto prazo e de forma mais econmica. Kim et al. (2005) usaram os dados de interfermetros obtidos pelos sensores do SAR, banda L diferencial a bordo do satlite JERS 1 para monitorar a taxa de abaixamento nos terrenos costeiros causada pelo aumento do nvel do mar e delinear as reas de risco de inundao para as propriedades locais que podem receber a recompensao pela perda das propriedades. Os dados de taxa de abaixamento foram validados com os dados dos sensores extensmetros magnticos obtidos nas 42 estaes instaladas na rea de estudo. O valor de correlao entre os dados obtidos pelo SAR e os obtidos em campo foi 0,87 e o valor de erro padro da mdia, Root Mean Square Error (RMSE), foi de 1,42 cm. Sugeriram que os dados de SAR interfermetros diferenciais tm alta potencialidade de aplicaes na rea de Engenharia Geolgica.


Recursos hdricos


Recursos hdricos

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6.1 Introduo

Os processos hidrolgicos variam rapidamente no espao e no tempo. Esses processos envolvem os fluxos de gua em formas lquida, slida e gasosa que ocorrem na atmosfera, na superfcie e no subterrneo. As medies dos fluxos de gua em um sistema geosfera-biosfera-atmosfera tinham sido alcanadas principalmente pelas medies pontuais em campo e por meio da simulao numrica. As estaes hidrometeorolgicas, cujas superfcies no podem ser amplamente observveis, freqentemente no representam as mudanas espaciais dos processos hidrolgicos e resultam em incertezas para aplicaes das medies.

As informaes de sensoriamento remoto via satlite fornecem os dados de observao com alta freqncia temporal e alta resoluo espacial que cobrem uma imensa rea e podem ser usados para complementar as reas com poucos dados de medies em campo disponveis. Geralmente, os dados coletados na superfcie no coincidem bem com os dados via satlite por causa das medies na superfcie que so pontuais e os coletados via satlite que so os valores mdios espaciais de uma rea ocupada por um pixel que varia de acordo com a resoluo espacial. Uma alternativa a extrapolao espacial dos dados pontuais da observao na superfcie da regio inteira por meio da correlao entre os dados observados em campo e os dados sensoriados via satlite. Apesar de os dados via satlite apresentarem menor acurcia, fornecem melhor estimativa em grande rea com maior eficincia e menor custo.

A cincia do sensoriamento remoto hidrolgico estuda os recursos hdricos utilizando os dados espectrais da energia eletromagntica emitida ou refletida nas vrias faixas de comprimento da onda desde 0,3 m at as microondas. Nas aplicaes dessas, o entendimento das propriedades da superfcie e seus efeitos nas respostas espectrais so prioritrios para podem se aplicar corretamente os dados obtidos via satlite.

A interpretao da imagem envolve a identificao e o delineamento dos padres de redes hidrolgicas que correspondem s caractersticas geomorfolgicas, linhas de drenagem e tipos da cobertura da superfcie. A anlise geoidrolgica da imagem uma das mais difceis tcnicas de interpretao dos dados de sensoriamento remoto. Ben-Dor et al. (2004) usaram os dados obtidos pelos sensores hiperespectrais a bordo em um avio para monitorar as taxas de infiltrao nos solos compactos e desagregados com as chuvas simuladas em labortorio. Uma equao da correlao entre a taxa de infiltrao e as condies fsicas do solo foi aplicada para estimar a taxa de infiltrao em campo. Mas essa taxa afetada por um conjunto de vrios fatores, alm das condies de agregados, incluindo umidade do solo, composies qumicas, usos do solo e as condies fsicas e qumicas no subsolo, e outros. Portanto, necessrio usar os dados hiperespectrais, incluindo as microondas para melhorar suas estimativas. Geralmente, as propriedades subterrneas so interpretadas pela observao das caractersticas das respostas espectrais das energias eletromagnticas obtidas na superfcie. As tcnicas de monitoramento de umidade do solo so apresentadas no Captulo 9. As tcnicas de identificao,


Recursos hdricos

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6.3 Estimativa de profundidade e rea da superfcie da gua

O delineamento da localizao e extenso espacial de superfcie da gua pode ser feito com boa acurcia utilizando os dados obtidos nas faixas de infravermelho prximo e microondas. A acurcia de estimativa da rea ocupada pela gua depende da resoluo espacial, ngulo de visada do sensor e ngulo zenital solar. A superfcie da gua limpa com alguns metros de profundidade absorve quase totalmente a energia solar na faixa de infravermelho prximo. Portanto, as reas com as reflectncias na faixa de infravermelho prximo ao redor de zero so provavelmente ocupadas pela gua. Alm de utilizar uma nica faixa de infravermelho prximo para delinear a rea de superfcie ocupada pela gua, vrios ndices de vegetao calculados pelas vrias combinaes de bandas espectrais so freqentemente usados com boa acurcia. As assinaturas espectrais da reflectncia na faixa de visvel podem fornecer algumas informaes sobre as condies fsicas das lagoas, rios e terra mida.

A estimativa de profundidade da gua usando os dados de sensoriamento remoto depende da intensidade da energia eletromagntica refletida que afetada pelos parmetros, tais como, claridade da gua, atenuao da profundidade, reflectncia do fundo, rugosidade da superfcie da gua, materiais orgnicos e inorgnicos em suspenso. Vrias bandas espectrais foram usadas para estimativa da profundidade da gua. Kumar, Palit e Bhan (1997) usaram a banda de 0,77 a 0.80 m. Warne (1972) usou a banda 0,5 a 0,6 m e Yi e Li (1988) usaram 0,47 a 0,54 m. Considera que a energia da radiao solar na banda espectral de 0,44 a 0,54 m transmitida pela gua clara e penetra na gua at 20 metros de profundidade. Portanto, a estimativa de profundidade de gua pela reflectncia na faixa de visvel vivel nas condies de gua limpa e at a uma profundidade de cerca de 20 m por meio da correlao estatstica entre os dados registrados via satlite e coletados em campo. As tcnicas de regresso que estimam a profundidade da gua em funo de reflectncias das vrias bandas na faixa visvel foram apresentadas por vrios pesquisadores com resultados satisfatrios (BENNY; DAWSON, 1983; STOVE, 1985; BARAN, 1993).

Correa e Avila (2002) mapearam a profundidade da gua na regio costeira do Coral Alacranes localizado na Pennsula Yucatan do Golfo Mxico utilizando as imagens do Landsat TM. A equao (6.2) foi aplicada para estimar a profundidade da gua com a calibrao dos dados em vrios nveis de profundidade obtidos pelo batmetro. A figura 6.3 mostra o mapa do batmetro do Coral Alacranes produzido por Correa e Alvia (2002). Apontaram que o erro de estimativa de profundidade da gua aumentou quando a profundidade aumentou. Tambm o erro aumentou quando a variao da topografia no fundo aumentou. O erro padro da mdia do mapa gerado pela classificao supervisionada foi em torno de 10% que considerado aceitvel. Tripathi e Rao (2002) apresentaram um modelo de estimativa de profundidade da gua da Baa Kakinada, na ndia em funo linear da reflectncia da banda 1 (0,52 a 0,59 m) do satlite Indiano Indian Remote Sensing Satellite-1D Multispectral Linear Imaging Self Scanning Sensor-III (IRS-1D LISS-III) com resoluo espacial de 23,5 m e


Recursos hdricos

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governo. A diferena grande. Mas aps a aplicao do modelo SIG que incluiu as possveis reas de inundao com as pequenas manchas de gua identificadas nos trs dias aps a ocorrncia da inundao mxima. Os resultados mostraram que o modelo estimou as reas inundadas com 96,7% de acurcia que considerada satisfatria. Sugeriram que para melhorar a sua acurcia, as imagens SAR devem ser adquiridas no dia do pico da inundao com a aplicao do modelo sugerido.

Figura 6.7 Modelo de delineamento das reas inundadas em funo de elevao e distncia. Fonte: (BRIVIO et al., 2002).

Figura 6.8 Comparao das reas de inundao da Bacia do Rio Tanara na Itlia ocorrida em dia 6 de novembro de 1994 estimadas pela imagem SAR (reas de cor preta) e reportadas pelo governo (reas de cor cinza). Fonte: (BRIVIO et al., 2002).


Recursos hdricos

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Figura 6.11 Os tributrios entrelaados da Bacia do Rio Alto Paraguai que formaram um leque complexo no Pantanal, MS, Brasil. Fonte: (LIU; AYRES. 2005).

Figura 6.12 Milhares de pequenas lagoas formadas durante a estao de seca no Pantanal, MS, Brasil. Fonte: (LIU; AYRES. 2005).

Figura 6.13 Regate de bovinos na rea de inundao na regio Nabileque do Pantanal, MS, Brasil. Fonte: (LIU; AYRES. 2005).


Recursos hdricos

207

Figura 6.14 Comparao das cotas observadas e simuladas usando os dados de cota, precipitao e NDVI do perodo de julho de 1981 a julho de 1994 da estao Ladrio (19,1S; 57,5W), MS, Brasil. Fonte: (LIU; AYRES, 2005).

Figura 6.15 Comparao das cotas observadas e previstas usando os dados de cota, precipitao e NDVI do perodo de novembro de 1994 a outubro de 2000 da estao Ladrio (19,1S; 57,5W), MS, Brasil. Fonte: (LIU; AYRES, 2005).

Em seguida, a equao (6.6) de estimativa de rea Inundada proposto por Hamilton, Sippel e Melack (1996) foi aplicada para prever a extenso da rea inundada da BAP. Visando equao (6.6) tem a tendncia de prever a cota mxima anual com um a trs meses de atraso, um modelo de previso da ocorrncia de cota mxima anual pela equao (6.8) foi sugerido para corrigir este erro.


ndices de vegetao


ndice de vegetao

217

7.1 Introduo

Nas aplicaes de sensoriamento remoto, os cientistas desenvolveram os ndices de vegetao para monitorar e quantificar as condies e distribuies espaciais das vegetaes, usando os dados digitais de reflectncias espectrais da radiao eletromagntica. Os ndices de vegetao so obtidos das vrias combinaes matemticas das reflectncias em vrias faixas espectrais da radiao eletromagntica. Em princpio, o objetivo utilizar os ndices de vegetao para condensar as informaes espectrais e discriminar o que vegetao e no vegetao, avaliar as condies de crescimento das culturas, ocorrncias de doenas, pragas, secas e geadas, e diversos eventos catastrficos meteorolgicos. As aplicaes de ndices de vegetao no monitoramento e na discriminao de usos do solo na superfcie terrestre tm vrias vantagens. Citam-se as seguintes:

a) os dados compactos de ndices de vegetao so calculados com os dados de reflectncias das vrias faixas espectrais da energia de radiao eletromagntica;

b) os valores relativos compensam a variao de intensidade da radiao;c) corrigem parcialmente os efeitos das variaes locais das condies

atmosfricas e das variaes de ngulo de visada de sensores e ngulos solares, considerando se esses efeitos na variao da reflectncia recebida pelos sensores nas bandas que compem os ndices so da mesma magnitude.

Bannari, Morin e Bonn (1995) apresentaram uma reviso extensa dos ndices de vegetao gerados com os dados de satlite. Apontaram que mais de quarenta ndices de vegetao foram desenvolvidos durante os ltimos 20 anos para tentar explorar as aplicaes das reflectncias espectrais no monitoramento da vegetao. Em geral, a resposta espectral da superfcie de vegetao envolve uma mistura complexa de vegetao, os efeitos ambientais, brilho, cor e umidade do solo e efeitos das variaes espacial e temporal das condies atmosfricas. Na primeira etapa, os ndices de vegetao so fundamentados somente nas combinaes lineares ou nos dados brutos da reflectncia de zero a 100%, correspondendo escala de nvel de cinza de zero a 255. Na segunda etapa, os ndices de vegetao so fundamentados no conhecimento dos fenmenos fsicos que explicam as interaes entre radiao eletromagntica, atmosfera, cobertura da vegetao e superfcie do solo. As pesquisas mostram que a segunda gerao de ndices de vegetao so menos sensveis aos efeitos atmosfricos e aos brilhos da superfcie do solo. Portanto, os ndices gerados pela simulao, fundamentado nas equaes de transferncia da radiao sob as diferentes condies atmosfricas ideais, so mais corretos. Mas tais ndices conservam ou no a sua sensibilidade quando aplicados s condies atmosfricas das outras regies? Somente as pesquisas feitas nas vrias regies podem confirmar esse argumento.


ndice de vegetao

227

7.2.9 ndice de razo ajustado por solo

Major (1990) props um ajuste no ndice de razo por solo chamado ndice de razo ajustado por solo (Soil Adjusted Ratio Vegetation Index SARVI), que calculado pela equao (7.16).

NIRSARVI = _______________________ (7.16) (VIS + b/a )

Os valores de a e b so os coeficientes obtidos com as reflectncias do solo. Os valores de a e b variam de acordo com as condies do solo seco ou mido e a variao do ngulo zenital solar.

7.2.10 ndice de vegetao ajustado por solo transformado

Baret, Guyot e Major (1989) propuseram uma modificao do SAVI introduzindo dois coeficientes. O ndice chamado ndice de vegetao ajustado por solo transformado (Transformated Soil Adjusted Vegetation Index TSAVI), que calculado pela equao (7.17). Os valores dos coeficientes a e b na equao (7.17) so obtidos pela regresso linear simples que correlaciona NIS em funo de VIS calculado pela equao (7.18) sob a condio do solo nu. O valor do a a declividade da linha do solo nu e o valor de b a intercepo na coordenada do NIR da linha do solo nu.

a(NIR - aVIS - b )TSAVI = ____________________________________ (7.17) VIS + a NIR - ab

NIR = aVIS + b (7.18)

Em seguida, TSAVI foi modificado por Baret e Guyot (1991) que calculado pela equao (7.19).

[a(NIR - aVIS - b)]TSAVI = _____________________________________________________ (7.19) [(VIS + a(NIR b) + 0,08 (1+a)]

Os valores de a e b tambm so obtidos pela equao (7.18). Baret e Guyot (1991) apontaram que os valores de a e b da linha do solo nu podem ser determinados usando-se as imagens com os pixels de solo nu. O valor do TSAVI varia de zero na superfcie do solo nu a aproximadamente 0,7 nas florestas densas. O TSAVI o melhor indicador de vegetao quando a cobertura da vegetao esparsa e tambm mais sensvel presena de vegetao em senescncia (CYR, 1993).


ndice de vegetao

231

Choudhury et al. (1987) argumentaram que o valor de MPDT correlaciona-se inversamente com o valor de NDVI. A vantagem dos sensores de microondas penetrar nas nuvens com facilidades, resultando menos interferncia atmosfrica comparando-se com os sensores das faixas de VIS e NIR dos satlites NOAA. Choudhury (1988) apresentou um mapa de MPDT do globo terrestre e observou que a superfcie da vegetao densa, como a Floresta Amaznica, tem o valor de MPDT em torno de 5 K e a superfcie de vegetao esparsa, tais como Saara, Gobi e Desertos da Arbia Saudita, tem o MPDT em torno de 20 K. Apontaram que o MPDT mais sensvel a vegetao esparsa, e o NDVI, vegetao densa. Portanto, as informaes adquiridas pelos NDVI e MPDT so complementares. Choudhury (1989) mostrou que o MPDT correlacionou-se bem com precipitao, produtividade de biomassa e

Figura 7.3 Comparao da ocorrncia das secas nos Estados Unidos de 1985 a 1990 inferidas pelo VCI. As cores vermelha, marrom e amarela indicam as regies mais secas. Fonte: (KOGAN, 1995).


Balano de energia da superfcie terrestre



253

8.1 Introduo

A superfcie recebe diariamente a energia da radiao solar. Uma parte da radiao refletida pela superfcie (albedo); a segunda parte aquece o ar (fluxo de calor sensvel ao ar, manifestado pela temperatura do ar); a terceira parte aquece a terrestre (fluxo de calor sensvel ao solo, manifestado pela temperatura do solo) e a ltima parte evapora a superfcie terrestre (fluxo de calor latente, manifestado pela evapotranspirao). Neste captulo, sero apresentados os mtodos de estimativas de albedo, temperatura da superfcie terrestre e evapotranspirao via satlite e os conhecimentos bsicos para facilitar as aplicaes e as validaes dos mtodos.

Atualmente, a previso diria do tempo local em 24 horas alcana uma acurcia acima de 90%. Os fatores que contribuem com o resto da incerteza de 10% so principalmente as quantificaes imprecisas dos fluxos de balano de energia da superfcie terrestre que so afetados pelos parmetros biofsicos locais variando drasticamente em espao e tempo. Portanto, para quantificar precisamente os fluxos de balano de energia da superfcie, preciso entender melhor as evolues espacial e temporal dos parmetros biofsicos, tais como rugosidade e estrutura da superfcie, propriedades fsicas e qumicas do solo, topografia, geomorfologia e usos do solo e os seus efeitos manifestados pelo microclima. Tem havido grande esforo dos pesquisadores da rea de modelagem numrica em previso do tempo e das mudanas climticas para melhorar seu modelo nas quantificaes de parmetros biofsicos e dos fluxos de balano de energia a fim de aumentar a acurcia de previso. Por causa dos dados meteorolgicos coletados na superfcie terrestre que so freqentemente insuficientes em escala espacial, a maioria dos sistemas operacionais dos modelos de previso do tempo usa os dados dos parmetros biofsicos e fluxos de energia da superfcie em uma resoluo espacial de 50 at 200 km. Avanos recentes na rea de sensoriamento remoto via satlite fornecem os mtodos alternativos de estimativas desses parmetros, usando os dados dirios globais com uma resoluo espacial de 1,1km adquiridos pelos sensores NOAA AVHRR. Portanto, este captulo tenta explorar aplicaes dos dados de sensoriamento remoto na quantificao dos parmetros, incluindo: albedo, temperatura da superfcie e os fluxos de blano de energia para monitorar as variabilidades bioclimticas e melhorar as acurcias dos modelos de previso do tempo.

8.2 Estimativa de albedo

O albedo () definido como a reflectncia da radiao solar pela superfcie terrestre que cobre a faixa do comprimento da onda eletromagntica de 0,4 m a 3 m (visvel ao infravermelho mdio). Atualmente, os dados de NOAA AVHRR so largamente utilizados para estimativas do albedo. Por serem as bandas dos sensores de NOAA AVHRR estreitas, um algoritmo, chamado Mtodo de Banda Larga (Broad Band Method), que combinou canal 1 ( 0,58 a 0,68 m ) e canal 2 (0,725 a 1,10 m) do NOAA AVHRR, desenvolvido para a obteno do albedo.



255

Tabela 8.1 Lista de valores de albedo das vrias superfcies terrestres.

Natureza da superfcie Valor de albedo Fonte

Floresta Amaznica 0,134 Culf et al., 1994

Pastagem Amaznia 0,180 Culf et al., 1994

Neves 0,540 Knap et al., 1999

Gelos 0,19 Knap et al., 1999

Neves frescas 0,95 Oke, 1987

Neves velhas 0,40 Oke, 1987

Gelos do mar 0,30 - 0,45 Oke, 1987

Gelos glaciais 0,20 - 0,40 Oke, 1987

gua (ngulo zenital pequeno) 0,03 - 0,10 Oke, 1987

gua (ngulo zenital maior) 0,10 - 1,00 Oke, 1987

Floresta decdua sem folhas 0,15 - 0,20 Oke, 1987

Floresta decdua com folhas 0,05 - 0,15 Oke, 1987

Floresta confera 0,05 - 0,15 Oke, 1987

Pomares 0,15 - 0,20 Oke, 1987

Tundras 0,18 - 0,25 Oke, 1987

Culturas agrcolas verdes saudveis 0,06 - 0,15 Oke, 1987

Pastagens com folhas longas (1m) 0,16 Oke, 1987

Pastagens com folhas curtas (0,02m) 0,26 Oke, 1987

Desertos 0,20 - 0,45 Oke, 1987

Solos nus midos e escuros 0,05 Oke, 1987

Solos nus secos e claros 0,40 Oke, 1987

Asfaltos 0,05 - 0,20 Oke, 1987

Concretos 0,10 - 0,35 Oke, 1987

Tijolos 0,20 - 0,40 Oke, 1987

Pedras 0,20 - 0,35 Oke, 1987

Telhados com tinta e cascalhos 0,08 - 0,18 Oke, 1987

Calhas 0,10 - 0,35 Oke, 1987

Ferros enferrujados 0,10 - 0,16 Oke, 1987

Vidro limpo com ngulo zenital < 40o 0,08 Oke, 1987

Vidro limpo com ngulo zenital 40o - 80o 0,09 - 0,52 Oke, 1987

Pinturas brancas de gelo ou neve 0,50 - 0,90 Oke, 1987

Pinturas de vermelho, marrom ou verde 0,20 - 0,35 Oke, 1987

Pinturas pretas 0,02 - 0,15 Oke, 1987

reas urbanas 0,10 - 0,27 Oke, 1987



259

Figura 8.2 As seis regies tpicas do globo que representam as superfcies ocenicas, terrestres, neves, desertos, oceano subtropical e terrestre tropical para estimativa de albedo pelo modelo de Hucek e Jacobowitz (1995).

Tabela 8.2 Lista dos valores dos coeficientes do modelo regional da superfcie dependente da estimativa de albedo pela equao: = ao + a1C1 + a2C2 do Mtodo da Banda Larga. Fonte: (HUCEK; JACOBOWITZ, 1995).

Regio 375 644 700 866 1356 1566 644/700

Superfcie neves ocenica terrestre deserto terrestre ocenica costeira

ao -0,86 3,48 2,65 2,20 3.31 3,52 3,28

a1 0,1398 0,3617 0,4022 0,4439 0,3994 0,5474 0,4529

a2 0,6991 0,4496 0,4112 0,3511 0,3984 0,2552 O,3557

Tabela 8.3a Lista dos valores dos coeficientes do modelo regional da cena dependente da estimativa de albedo nas condies de cu claro pela equao: = ao + a1C1 + a2C2 do Mtodo da Banda Larga. Fonte: (HUCEK; JACOBOWITZ, 1995).

Regio 375 644 700 866 1356 1566 644/700

Superfcie neves ocenica terrestre deserto terrestre ocenica costeira

ao 3,8995 1,78 2,17 2,60 2,95 2,34 2,77

a1 0,0520 1,3302 0,3999 0,3896 0,2331 1,2062 0,3779

a2 0,7423 -0,6250 0,4333 0,3873 0,5025 -0,5504 0,4168



285

de tais medidas precria ( maior que 2 oK ) e no permite um grande avano em relao ao uso de valores climatolgicos. A principal fonte de erro na tcnica de microondas resulta da variao da emissividade da superfcie devido velocidade do vento e absoro do vapor de gua, em que a temperatura representa um efeito de segunda ordem. Um grande avano na medida da Tst foi feito com o lanamento do primeiro AVHRR a bordo do satlite da srie de TIROS N. Esse primeiro instrumento tinha um canal extra em 3,7 m e permitiu que a tcnica de absoro diferencial fosse utilizada para derivar a correo da absoro do vapor de gua na atmosfera. O uso dessa tcnica foi restrito ao perodo da noite, pelo fato de o canal de ondas curtas receber influncia da radiao solar refletida durante o dia. O AVHRR com 5 canais a bordo dos satlites meteorolgicos NOAA, incluindo os chamados canais segmentados, ou janela dividida (10,8 m e 11,9 m ), permitiu a determinao da Tst durante o dia. Pelo fato de o canal 3,7 m ser afetado por muito rudo, seu uso ficou bastante limitado e os canais tipos das janelas divididas tornaram-se referncias para a determinao da Tso durante os ltimos 15 anos. Os mtodos de estimativa de Tst e Tso desenvolvidos ao longo dos ltimos anos so apresentados a seguir.

8.4.1 Estimativa de temperatura da superfcie ocenica

As temperaturas da superfcie terrestre (Tst) e as temperaturas do oceano (Tso) podem ser adquiridas por meio dos sensores das bandas de infravermelho termal (Thermal Infra Red TIR). A base fsica de estimativa da temperatura de superfcie fundamenta-se no princpio de que toda matria emite uma radiao eletromagntica e possui um espectro contnuo e singular. A estimativa de emisso feita em referncia a um corpo negro. Um corpo negro considerado como um objeto capaz de absorver toda a radiao incidente para qualquer que seja o comprimento de onda. Pelo fato de a emissividade da superfcie nem sempre se comporta como um corpo negro e a maioria menor que uma unidade, a energia na faixa de TIR captada pelos sensores de satlite, chamada temperatura de brilho, deve ser convertida pela equao de Stephan-Boltzman, que requerer os dados de emissividade de superfcie especfica. A equao (8.41) representa a equao de Stephan-Bolztman.

Tb = Tv4 (8.41)

Em que:Tb = temperatura de brilho em W m-2; = emissividade; = constante Stephan-Boltzman = 5,6697 x 10-8 W m-2 oK-4;Tv4 = temperatura verdadeira em oK.

A estimativa da Tso via satlite vivel por causa da emissividade do oceano ser relativamente constante prximo unidade como o corpo negro. Com uma correo adequada das interferncias atmosfricas, a acurcia da estimativa de Tso via satlite pode alcanar um erro menor que 1oC. Os quatros mtodos mais usados so apresentados em seguida.



289

As trs espessuras ticas podem ser obtidas pelas trs bandas termais bem selecionadas ou trs ngulos de uma banda pelos sensores ngulos mltiplos. Uma combinao de multiespectrais e multingulos, tal como os dados de ERS 1 ATSR tambm podem ser aplicados. Uma combinao de duas bandas de Split-Window centralizadas nas 11 e 12 m no ngulo nadir (0o) e uma banda de 12 m no ngulo de 50 o so consideradas como a melhor opo.

8.4.6 Mtodo de janela dividida local

Baseado no mtodo de Janela Dividida, Becker e Li (1990a) introduziram o mtodo chamado Janela Dividida Local, que incorpora o parmetro de emissividade local para a estimativa de temperatura da superfcie terrestre (Tst). Apresentaram uma equao (8.47) com os coeficientes obtidos por uma tcnica de regresso estatstica que chamado como o mnimo quadrado ajustado (least-squires fitting), utilizando os dados de 2.160 casos diferentes que cobrem quatro classes de condies atmosfricas, 12 valores de Tst, cinco valores mdios de emissividade variando de 0,90 a 1,0 e nove valores da diferena de emissividade entre bandas 4 e 5.

Tst = Ao + P[(T4 + T

5)/2] + M[(T

4 T

5)/2] (8.47)

Em que:Tst = temperatura da superfcie terrestre;T

4 e T

5 = temperatura de brilho de canal 4 e canal 5 do NOAA AVHRR,

respectivamente;Ao = 1,274;P = 1 + 0,15616 (1 ) / 0,482 (/2 );M = 6,26 + 3,98 (1 ) / + 38,33 ( /2 ); = emissividade da superfcie terrestre; = (4 + 5)/2; = 4 5.

A partir da, vrios mtodos de estimativa da temperatura da superfcie terrestre baseada no mtodo de Janela Dividida Local foram desenvolvidos. (PRATA; PLATT, 1991; KERR; LAGOUARDE; IMBERNON, 1992; COLL et al., 1994; FRANA; CRACKNELL, 1994). Para aplicar o mtodo de Janela Dividida Local via satlite na estimativa de Tst, so necessrios dados de emissividade () de bandas espectrais correspondendo aos canais 4 e 5 do NOAA AVHRR. A obteno de emissividade em funo de NDVI pela correlao obtida no campo j foi discutida na seo anterior. Mas as equaes propostas por Kerr, Lagouarde e Imbernon (1992), Griend e Owe (1993), Valor e Caselles (1996) e Vzquez, Reyes e Arboledas (1997) so obtidas sob as condies especficas: em superfcies com vegetao, sem dados de umidade no solo e baseadas na nica banda larga (8 a 12,5 m). Portanto, as funes sugeridas no podem ser aplicadas universalmente.

Vzquez, Reyes e Arboledas (1997) apresentaram uma comparao dos mtodos de Kerr, Lagouarde e Imbernon (1992), Ulivieri et al. (1994) e Price (1984) e concluram que o mtodo de Kerr, Lagouarde e Imbernon (1992) mais simples,



295

que o valor mdio dos valores de Tst prximo aos de Tar representa melhor ou no. Medies de Tst e emissividade em campo sero necessrias para identificar melhor qual o mtodo mais adequado.

Observaram que os valores de Tst estimados pelo mtodo de Kerr so prximos aos de Tar observados e os de Griend e Owe e de Valor e Caselles so mais altos. Vzquez, Reyes e Arboledas (1997) compararam vrios algoritmos de estimativa de temperatura da superfcie terrestre utilizando o mtodo de Janela Dividida e concluram que o algoritmo, que integra o NDVI diretamente na equao de Janela Dividida proposto por Kerr, Lagouarde e Imbernon (1992), o mais simples e com uma acurcia prxima a dos outros que exigem dados locais de emissividade. Portanto, as pesquisas nas medies de emissividade e Tst em campo em diferentes escalas espaciais devem ser realizadas para a melhoria da avaliao dos mtodos.

Figura 8.13 Mapas de distribuio de Tst da regio do Estado de So Paulo gerados nos meses de abril, julho e outubro de 1992 pelos trs mtodos utilizados: mtodo de Kerr, Lagouarde e Imbernon (1992)., de Griend e Owe (1993) e de Valor e Caselles (1996). Fonte: (LIU; TSAY, 1998).



301

8.5.1 Radiao solar lquida recebida A energia da radiao solar situa-se na faixa de 0,4 a 3 m, chamada

radiao onda curta, e concentra-se na faixa de 0,4 a 0,7 m. Por causa das absores e espalhamentos pelos constituintes atmosfricos, vrios fenmenos ticos atmosfricos, tais como cu avermelhado, cu azul, espalhamento Rayleigh e espalhamento Mie, so observados. Geralmente, o cu avermelhado observado quando a radiao na faixa visvel reduzida por causa do aumento da distncia da passagem da radiao solar ao atravessar a atmosfera e chegar superfcie. O fenmeno de cu avermelhado geralmente ocorre quando a elevao do Sol baixa, nos casos do pr-do-sol ou do sol nascente, os raios solares passam a uma longa distncia horizontal atravessando a atmosfera. Os raios das ondas mais curtas, tais como as azuis, so refletidos e espalhados completamente. Somente os raios das ondas mais longas, como as ondas vermelhas, chegam superfcie terrestre. Portanto, o cu fica vermelho no pr-do-sol. Nas condies de atmosfera poluda, o Sol fica vermelho tambm por causa dos dimetros dos poluentes serem maiores que os comprimentos das ondas mais curtas que resultam um bloqueio das ondas curtas deixando as ondas mais longas passarem.

Espalhamento Rayleigh ocorre quando a radiao espalhada pelas molculas dos aerossis, vapor da gua e partculas presentes na atmosfera. O espalhamento Rayleigh ocorre quando os dimetros das partculas menores que os comprimentos das ondas de radiao solar esto livres das partculas com dimetros acima de 0,4 m. Isto resulta na transmissibilidade da atmosfera para o azul maior que a violeta, apesar de o espalhamento da violeta ser maior que o azul. Portanto, o cu azul significa o cu limpo. Espalhamento Mie ocorre quando a maioria dos dimetros das partculas atmosfricas ficam entre 0,4 a 0,7 m, os raios da radiao nas faixas visveis so espalhadas substancialmente. Isto resulta em cu menos azul, torna-se branco, como nos casos de uma nuvem constituda de gotculas da gua ou partculas de gelos.

A radiao lquida recebida pela superfcie terrestre controla a redistribuio da energia entre a superfcie terrestre, a atmosfera e o solo, que um componente importante no balano de energia da superfcie terrestre. Os dados globais dos componentes de radiao lquida na equao (8.50), incluindo radiaes onda curta e onda longa, no ficam disponveis regularmente. A maioria dos dados obtida pelos experimentos locais especficos. Recentemente, vrios mtodos utilizando dados de satlites foram desenvolvidos para estimar os fluxos de radiao na superfcie.

8.5.1.1 Estimativa de radiao solar incidente

Os fluxos de radiao onda curta so importantes no balano de energia da superfcie do planeta Terra. A obteno desses dados para o monitoramento das mudanas climticas globais e para a previso do tempo em escala global via satlite um assunto muito atraente. No ano do 1995, Pinker, Frouin e Li (1995) fizeram uma reviso dos mtodos de estimativa de Radiao Solar Onda Curta Direta (Direct Shortwave Solar Radiation DSSR) e Radiao Solar Onda Curta Direta Lquida



313

Estimativa do fluxo de calor na superfcie do solo

Qz = A(o) k(/D)1/2 e-z(/2D)1/2 sen{[t- z(/2D)1/2] + /4} (8.81)

Na superfcie do solo, a profundidade de zero, aplicando-se z=0 na equao (8.81), obtm-se:

Qo = A(o) k(/D) 1/2 sen[t+ /4] (8.82)

Variaes diurna e sazonal da temperatura do solo

Decrscimo de amplitude da temperatura do solo quando a profundidade aumenta. A figura 8.16 mostra as variaes diurnas e anuais da temperatura do solo em vrias profundidades (OKE, 1987). A temperatura diurna na profundidade de 10 mm alcana o valor mximo ao redor de 14h e o valor mnimo ao redor de 4h. A temperatura diurna na profundidade de 0,8 m fica quase invarivel. A temperatura anual do Hemisfrio Sul na profundidade de 10 mm alcana o valor mximo de 20 oC em janeiro e o mnimo de 2 oC em fevereiro e na profundidade de 10 m, varia pouco de 2 oC a 3 oC.

O tempo de atraso entre duas profundidades pode ser estimado pela equao seguinte:

( z2 - z

1 ) [P/D]1/2

t2 - t

1 = _______________________________ (8.83)

2

Em que: t

2 e t

1 = o tempo em que a temperatura mxima ou mnima detectada na profundidade z2 e z1 respectivamente;

P = perodo da oscilao em segundo;D = difusividade trmica.

Figura 8.16 Variaes diurnas e anuais da temperatura no solo em vrias profundidades. Fonte: (OKE, 1987).



319

8.6.2 Fatores que afetam a evapotranspirao

Fatores meteorolgicos:

Os efeitos dos fatores meteorolgicos, tais como radiao, temperatura, umidade do ar, vento e presso na perda de gua pela ET, so um conjunto do efeito complexo das interaes entre esses fatores. Isto torna difcil separ-los por ordem de importncia, pelas complicadas relaes entre eles. Para facilitar o entendimento do cada fator que afeta a ET, ser considerado somente o efeito de um determinado fator meteorolgico mantendo os demais fatores em estados inalterados:

a) radiao O processo fotossinttico que fabrica matria seca das vegetaes requer a energia de radiao solar na faixa visvel. Por outro lado, a radiao solar torna-se um fator de considervel importncia por fornecer um calor latente de 589,4 cal/g de gua a 25 oC, passando do estado lquido ao estado vapor, pela transpirao, para manter sua temperatura dentro da faixa tima do crescimento;

b) temperatura Como as temperaturas do ar e da gua dependem da radiao solar incidente na superfcie, espera-se uma estreita relao delas

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