Anais do III Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas 0

VIABILIDADE DA IDENTIFICAÇÃO DE VARIEDADES DE VIDEIRA PELAS DIFERENÇAS OBSERVADAS NA

RESPOSTA ESPECTRAL DAS FOLHAS

Naíssa Batista da Luz1 Débora Liria Fonseca2

1 Pesquisadora do Centro Nacional de Pesquisas em Uva e Vinho, Unidade da

Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, Bento Gonçalves – RS. naissa@cnpuv.embrapa.br

2 Estagiária do curso técnico em agricultura da Escola Agrotécnica Federal Presidente Juscelino Kubitschek, Bento Gonçalves – RS

RESUMO

O avanço do agronegócio vitivinícola nacional nas últimas décadas é notório, e a demanda por tecnologias que subsidiem o processo de tomada de decisão no manejo das áreas cultivadas com videira vem aumentando nos últimos anos. A viabilização de técnicas de mapeamento e monitoramento remoto das áreas cultivadas nas principais regiões vitivinícolas do país, sobretudo na região da Serra Gaúcha no RS, é dificultada pelas características do relevo e pelo grande número de variedades, as quais nem sempre são cultivadas em áreas homogêneas junto às pequenas propriedades. Considerando-se que a existência de diferenças na resposta espectral destas variedades poderiam ser detectadas mais facilmente nas folhas, por ser a escala mais elementar, iniciou-se estudos com espectroradiometria. Foram mensuradas as folhas de variedades de videira cultivadas em áreas experimentais do Centro Nacional de Pesquisa de Uva e Vinho, com o auxílio de um espectroradiômetro portátil marca Li-Cor modelo Li-1800.. Foram detectadas diferenças significativas em todos os comprimentos de onda, sendo possível separar algumas variedades e dois grandes grupos de variedades. A perspectiva é bastante promissora, haja visto a alta separabilidade espectral da variedade Isabel, cultivada em aproximadamente 40% da área total (CADASTRO VITÍCOLA DO RIO GRANDE DO SUL, 2001). Palavras-chave: espectroradiometria; comportamento espectral; variedades de Vitis spp.

Anais do III Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas 1

ABSTRACT

The progress of the national grape and wine agribusiness in the last decades is notorious, and the demand for technologies that support the decision making process of vineyard management have increased in the last years. Remote mapping and monitoring techniques deployment in the cultivated areas of the main vine growing regions of the country, above all in Serra Gaúcha's area in RS, is hindered by the relief’s characteristics and the great number of varieties, which not always have been cultivated in homogeneous areas close to the small properties. Considering that the differences in the spectral response of these varieties could be detected more easily in the leaves, as the most elementary unit, studies have began with spectroradiometry. Vine leaves varieties were measured from plants cultivated in experimental areas of the Centro Nacional de Pesquisa de Uva e Vinho, with the aid of the Li-1800 portable. Significant differences were detected in all the wavelengths, demonstrating the possibility to distinguish some varieties and two great groups of varieties. The perspective is quite promising, considering the high separability of Isabel variety spectral response, cultivated in approximately 40% of the total area. (CADASTRO VITÍCOLA DO RIO GRANDE DO SUL, 2001).

Keywords: spectroradiomety; spectral behavior; Vitis spp. varieties.

Anais do III Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas 2

1. INTRODUÇÃO A principal região produtora de vinhos finos no Brasil é a Serra Gaúcha situada

no nordeste do Rio Grande do Sul. Nesta região, as videiras são cultivadas em pequenas propriedades que empregam mão-de-obra familiar, inseridas em um relevo bastante acidentado e pouco mecanizável. Somando-se estas características ao fato de que existe um grande número de variedades de videira, por vezes em uma mesma propriedade ou área cultivada, fica clara a dificuldade de mapeameamento remoto dos cultivos.

A agroindústria nacional e regional tem evoluído bastante nas últimas décadas (PROTAS et al., 2002), e a necessidade de produtos obtidos a partir de sensores remotos naturalmente deve acompanhar esta tendência. À medida que as exigências do mercado consumidor crescem, deve haver um incremento tecnológico no processo de tomada de decisão e no manejo das áreas cultivadas, tanto por necessidade de otimização no uso dos recursos e consequente otimização dos dividendos quanto pela redução dos impactos ambientais negativos, a exemplo do que vem ocorrendo nos países desenvolvidos com aplicação de tecnologias de agricultura de precisão (LUCHIARI, 2003).

Diante deste contexto, é essencial a geração de informações a respeito do comportamento espectral das variedades de maior interesse econômico regional e nacional, que subsidiem a análise da viabilidade de identificação de variedades de Vitis spp. e da detecção de alterações nas condições fisiológicas e estruturais das plantas. Optou-se portanto pela obtenção de informações a respeito das folhas, nível mais elementar de um estudo de radiometria da vegetação, em um primeiro momento. Considerando-se que neste nível seria possível a obtenção de informações de extremamente detalhadas, possivelmente os resultados obtidos não se propaguem em mesma escala ao dossel das áreas cultivadas, que sofrem interferência da geometria de visada, da disposição e do número de camadas de folhas, do tipo de cobertura e do solo e tantos outros fatores (GAO et al., 2000). Assim, caso existam diferenças espectrais suficientes para a identificação de variedades ou grupos de variedades e alterações fisiológicas e estruturais, certamente se manifestarão em escala foliar.

Na região do visível, informações a respeito do teor de pigmentos e da atividade fisiológica das plantas podem ser levantadas, dada a alta correlação destes comprimentos de onda com a absorção da energia fotossinteticamente ativa (THOMAS e GAUSMAN, 1977 ; PALTA, 1990; GAMON e SURFUS, 1990; YODER et al., 1995). A estrutura foliar é mais facilmente detectada a partir de sensores remotos que operam na região do infravermelho, sobretudo no que diz respeito ao número de camada de células, à disposição destas células, à proporção de espaços intercelulares, ao teor de umidade e de determinados nutrientes, além das

Anais do III Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas 3

características da superfície foliar, como pilosidade e a presença de ceras ou outros exudados (FOURTY et al., 1996).

2. OBJETIVOS

Caracterizar a resposta espectral de folhas de diferentes variedades de Vitis spp.,

visando a identificação dessas variedades a partir de sensores remotos. As atividades realizadas para atingir este objetivo foram:

• Mensuração da resposta espectral de folhas das variedades de Vitis spp. Auxerrois, Cabernet Franc, Cabernet Sauvignon, Chardonnay, Chenin Blanc, Gamay, Gewürztraminer, Goethe, Isabel, Jacquez, Malvasia Bianca, Niágara Branca, Pinot Noir e Riesling.

• análise das diferenças entre as assinaturas espectrais típicas das variedades de Vitis spp.,

• análise da separabilidade espectral, em escala foliar, das variedades de Vitis spp.

3. METODOLOGIA

3.1. MATERIAL

Para a mensuração da resposta espectral das folhas das variedades de Vitis spp.,

utilizou-se um espectroradiômetro portátil modelo Li-1800 da marca Li-Cor, em conjunto com a esfera integradora externa modelo 1800-12 S de mesma marca. Como referência de reflectância, foram utilizadas placas de sulfato de bário.

As plantas cujas folhas foram mensuradas subsistem em condições microclimáticas de relevo, solos e manejo bastante semelhantes, nos plantios experimentais e bancos ativos de germoplasma do Centro Nacional de Pesquisa de Uva e Vinho, em Bento Gonçalves, RS, da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária – EMBRAPA. Não foram utilizadas plantas com qualquer tipo de tratamento experimental.

Os dados obtidos foram transformados e analisados nos softwares Statistica 6, R e Excel.

3.2. MÉTODOS

Foram selecionadas pelo menos seis plantas de cada variedade, e para cada uma

das plantas foram mensuradas cinco folhas totalmente desenvolvidas e com ausência de fungicida formulado a base de sulfato de cobre. Para todas as folhas foram realizadas duas mensurações consecutivas, armazenando-se o dado médio das duas

Anais do III Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas 4

observações. As plantas encontravam-se, por ocasião da coleta de dados, em estágio de pleno desenvolvimento vegetativo, no período entre início de janeiro e março.

As medidas foram realizadas “in vivo”, para que não houvesse perda água e alteração na atividade fotossintética da folha, caso fosse destacada da planta e submetida a fontes de iluminação em laboratório.

A placa de referência foi mensurada em média 1 vez a cada 20 observações, sempre no início e final da cada período de coleta de dados, igualmente por meio de duas mensurações consecutivas e armazenando-se o valor médio. A média dos dois valores armazenados foi utilizada como referência paras os dados coletados no período.

Os dados brutos foram corrigidos no software Excel, com base nos valores obtidos para a mensuração da placa de referência, resultando no fator de reflectância bidirecional (Equação 01). Os dados corrigidos foram depurados para exclusão de observações discrepantes, obtidas quando feixes de luz externa à esfera integradora incidem sobre a amostra e a fibra ótica (valores excessivamente altos), ou quando houveram falhas de iluminação (valores baixos ou negativos).

r

a

LL

01

Onde: La: reflectância da amostra e Lr: reflectância média da placa de referência de sulfato de bário.

O software Statistica foi utilizado para a realização das análises de variância pontuais (por comprimento de onda, de 50 em 50nm no intervalo entre 400 e 1100nm) e análises multivariadas de componentes principais e de grupamentos.

Anais do III Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas 5

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Analisando-se a resposta espectral obtida pela mensuração das folhas de

variedades de Vitis spp. (Figura 1a), observa-se que as diferenças são mais acentuadas na região do infravermelho próximo, associada à estrutura das folhas; do que na região do visível, diretamente relacionada com o teor de pigmentos e a atividade fotossintética (citação4). Nos demais gráficos (Figura 1b, c e d), as diferenças nas respostas espectrais são visualizadas com maiores detalhes. Na região do visível, algumas variedades se diferenciam das outras, principalmente no pico de reflectância do verde, como a Malvasia Bianca e a Chardonnay, com maior reflectância do que o restante, e a variedade Jacquez com reflectância menor. FIGURA 1. (A) RESPOSTA ESPECTRAL TOTAL (300 A 1100 nm) DE FOLHAS DE VARIEDADES DE Vitis spp., AMPLIAÇÃO DA RESPOSTA ESPECTRAL NAS REGIÕES DO VISÍVEL (B), RED

EDGE (C) E INFRAVERMELHO PRÓXIMO (D)

Na região do infravermelho podem-se evidenciar diferenças mais acentuadas entre todas as variedades, sem destaque de nenhuma delas. Na região de transição do visível para o infravermelho próximo, comumente conhecida como “red edge”,

Anais do III Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas 6

observa-se um deslocamento do ponto de inflexão da curva de resposta espectral, destacando-se as mesmas variedades citadas para a região do visível, Chardonnay e Malvasia Bianca, com maior reflectância e a variedade Jacquez, com menor reflectância. No entanto, percebe-se que o intervalo entre as curvas não se mantém constante nesta faixa de transição, entre 680 e 710nm.

Esta tendência também pode ser observada na Tabela 1 e na Figura 2, que apresentam os dados da análise de variância entre as variedades para determinados comprimentos de onda, para um nível de significância de 5%. Contudo, diferenças significativas são observadas em todos os comprimentos de onda.

TABELA 1. ANÁLISE DE VARIÂNCIA PARA DETERMINADOS COMPRIMENTOS DE ONDA, COM NÍVEL DE SIGNIFICÂNCIA DE 0,05% E F TABULAR=1,69 (** SIGNIFICA RESULTADO

ALTAMENTE SIGNIFICATIVO).

Comprimento de onda (nm) F

400 5.38 **

450 4.38 **

500 4.59 **

550 9.38 **

600 6.88 **

650 6.18 **

700 9.09 **

750 31.57 **

800 41.83 **

850 51.28 **

900 59.13 **

950 65.04 **

1000 78.81 **

1050 87.47 **

1100 91.34 **

Pode-se observar também na Tabela 1 que existem diferenças significativas a

um nível de significância de 5% em todas as bandas analisadas, ainda que diferenças mais acentuadas sejam detectadas na região do infravermelho próximo, conforme evidenciado pela Figura 2.

Na região do visível, o comprimento de onda do verde (550 nm), correspondente ao pico de reflectância da clorofila, apresenta um valor de F levemente mais alto do que as feições de absorção dos pigmentos, que parecem ter um comportamento mais homogêneo entre as respostas espectrais das variedades de videira.

Anais do III Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas 7

FIGURA 2. VALORES DO FATOR F PARA UM NÍVEL DE SIGNIFICÂNCIA DE 5% PARA DETERMINADOS COMPRIMENTOS DE ONDA.

O cálculo das componentes principais demonstrou-se extremamente útil na definição das regiões do espectro de maior importância para a diferenciação das variedades. Na Figura 3 observa-se que foi possível, através desta análise, representar em duas componentes aproximadamente 93% da variação das 400 bandas espectrais analisadas.

FIGURA 3. PERCENTUAL DE REPRESENTAÇÃO DOS CINCO PRIMEIROS AUTOVALORES

OBTIDOS ATRAVÉS DA MATRIZ DE COVARIÂNCIA E O PERCENTUAL ACUMULADO.

Na Figura 4 demonstra-se a contribuição e o peso das três primeiras componentes principais. Evidencia-se o peso da região do infravermelho próximo na primeira componente, que representa mais de 77% do conjunto de espectros

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 00

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

C o m p rim e n to d e O n d a (n m )

Fato

r F

16.25%

0.46%2.01%3.07%

77.63%

99.41%98.95%96.95%93.88%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 2 3 4 5Autovalores

% Total % Acumulado

Anais do III Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas 8

analisados. A segunda componente (que explica mais do que 15% do percentual total dos dados) tem forte influência da região do visível, e a terceira provavelmente traz a variação do pico de reflectância do verde na região do visível e do “red edge”, na transição dos comprimentos de onda do vermelho para o infravermelho. Com base nestas informações, pode-se presumir que as diferenças na estrutura celular das folhas, quer seja em número de camadas ou disposição de células e espaços intercelulares, relacionada à região do infravermelho próximo (citação6) é mais importante na diferenciação das variedades de Vitis spp.do que o teor de pigmentos e a atividade fotossintéticas das plantas, relacionados à região do visível (citação7).

FIGURA 4. CONTRIBUIÇÃO (a) E PESO (b) DOS FATORES NAS COMPONENTES PRINCIPAIS 1,

2 E 3.

Quando as diferentes regiões do espectro são comparadas, é possível perceber alterações na resposta espectral das folhas das variedades analisadas, que poderiam viabilizar sua identificação espectral, ou separar grupos de variedades. Na Figura 5 observa-se a distância euclidiana entre a resposta espectral das variedades, podendo ser identificados grosseiramente dois grupos de variedades mais próximas, o primeiro formado pelas variedades Auxerrois, Isabel, Goethe, Gewürztraminner, Pinot Noir, Cabernet Franc e Niágara Branca e o segundo pelas variedades Riesling, Gamay, Malvasia Bianca, Jacquez, Chardonnay H, Chardonnay V, Cabernet Sauvignon H, Cabernet Sauvignon V (as letras H e V referem-se ao sistema de condução horizontal – latada e vertical – espaldeira, respectivamente). Naturalmente, esperava-se que uma mesma variedade conduzida por dois sistema de condução diferentes, como no caso de Chardonnay e Cabernet Sauvignon conduzidas pelos sistemas latada e espaldeira, apresentassem uma resposta espectral semelhante, o que foi evidenciado pelas conexões diretas observadas entre ambas. .A variedade Chennin Blanc apresenta uma distância euclidiana muito maior do que o restante das variedades, conectada posteriormente aos dois grupos formados.

-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8

400 500 600 700 800 900 1000 1100Comprimento de onda (nm)

Car

ga d

os fa

tore

s

Fator 1 Fator 2 Fator 3

0.00

0.01

0.02

400 500 600 700 800 900 1000 1100Comprimento de onda (nm)

Con

trib

uiçã

o do

s fa

tore

s

Fator 1 Fator 2 Fator 3

(a) (b)

Comp 1 Comp 2 Comp 3 Comp 1 Comp 2 Comp 3

Con

tribu

ição

Peso

Anais do III Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas 9

Outra informação derivada do gráfico apresentado na Figura 5 é a relativa separabilidade da variedade Isabel, agrupada imediatamente com apenas duas outras variedades, Auxerrois e Goethe, antes da formação dos dois grandes grupos. Como esta variedade ocupa grande parte das áreas cultivadas, é extremamente importante que técnicas de mapeamento e monitoramento sejam viabilizadas a partir de sensores remotos para esta variedade.

FIGURA 5. GRÁFICO RESULTANTE DA ANÁLISE DE GRUPAMENTOS PELA DISTÂNCIA EUCLIDIANA ENTRE A RESPOSTA ESPECTRAL DAS VARIEDADES. A LINHA PONTILHADA

NO CENTRO DA FIGURA INDICA A SEPARAÇÃO DAS VARIEDADES EM DOIS GRUPOS.

Anais do III Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas 10

5. CONCLUSÕES A análise do comportamento espectral das variedades forneceu uma excelente

noção do que se pode esperar no tangente à obtenção de informações a partir de sensores remotos que venham a subsidiar o mapeamento e o monitoramento das áreas cultivadas.

As informações obtidas sinalizam para a importância do infravermelho próximo na identificação das variedades, e também para a necessidade de expandir a faixa de obtenção de informações para outros comprimentos de onda do infravermelho, além de 1100nm.

Resultados relevantes foram obtidos, principalmente no tocante à alta separabilidade espectral de uma das variedades de maior interesse, a Isabel, comumente cultivada nas regiões vitícolas do país.

Outro ponto importante é a separação em um mesmo grupo das variedades analisadas conduzidas por diferentes sistemas de condução, já que esperava-se que não fossem encontradas grandes diferenças na resposta espectral foliar.

6. PERSPECTIVAS

É pouco provável a viabilidade de identificação de variedades a partir de

sensores remotos orbitais ou aerotransportados, ainda que tenham excelente resolução espectral, já que a análise de grupamentos evidencia a baixa separabilidade entre as variedades. Com este estudo, pôde-se perceber que seria possível, em escala foliar, a separação de grupos de variedades.

Considera-se necessária a ampliação destes estudos visando analisar o comportamento destas variedades em diferentes condições ambientais e de cultivo, para validar os padrões de resposta espectral obtidos.

A geração deste tipo de informações pode subsidiar a tomada de decisão na seleção de técnicas e atividades de mapeamento e monitoramento remoto das variedades estudadas. É evidente a necessidade de continuidade de estudos expandindo-se os limites do espectro eletromagnético estudado e as escalas de análise de folha para dossel e de radiometria para sensoriamento remoto aerotransportado e orbital.

Anais do III Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas 11

7. REFERÊNCIAS

PROTAS, J.F.S.; CAMARGO, U.A.; MELO, L.M.R. A vitivinicultura brasileira: realidade e perspectivas. In: 1o Simpósio Mineiro de Viticultura e Enologia, 16 a 19 abril, Andradas, MG. Viticultura e Enologia – Atualizando Conceitos. Andradas: Epamig, p.17-32, 2002.

LUCHIARI, A. Exposição oral. In: XI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento, 05 a 10 de abril de 2003, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil.

Cadastro Vitícola do Rio Grande do Sul – 1995/2000 – Editor técnico: Loiva Maria Ribeiro de Mello – [CD-room] Versão 1.0 – Bento Gonçalves: Embrapa Uva e Vinho/Ibravin. 2001.

GAO, X.; HUETE, A.R.; NI, W.; MIURA, T. Optical-biophysical relationships of vegetation spectra without background contamination. Remote Sensing of Environment, no. 74, p. 609-620. 2000.

YODER, B.J.; PETTIGREW-CROSBY, R.E. Predicting nitrogen and chlorophyll content and concentration from reflctance spectra (400-2500) at leaf and canopy scales. Remote Sensing of Environment, no. 53, p. 199-211. 1995.

THOMAS, J.R.; GAUSMAN, H.W. Leaf reflectance vs. Leaf chlorophyll and carotenoid concentrations for eight crops. Agronomy Journal, vol. 69, p. 799-802. 1977.

PALTA, J.P. Leaf chlorophyll content. Remote Sensing Reviews, vol.5, no. 1, p. 207-213.

GAMON, J.A.; SURFUS, J.S. Assessing leaf pigment content and activity with a reflectometer. New Phytopatologist, no. 143, p. 105-117. 1999.

FOURTY, T.; BARET, F.; JACQUEMOUD, S.; SCHMMUCK, G.; VERDEBOUT, J. Leaf optical properties with explicit description of its biochemical composition: direct and inverse problems. Remote Sensing of Environment, no. 56, p. 104-117. 199.