Transcript figura

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO ENGENHARIA AMBIENTAL
Sensoriamento Remoto
n
PROFESSOR: Prof.: Alexandre Rosa dos Santos.
ALUNOS:
Teresa S. Aquije Chacaltana.
Marcos Eugênio Pires de Azevedo Lopes
Comportamento Espectral de
Minerais e Rochas
Potencialidades e Limitações
Para a geologia, o conhecimento do comportamento espectral é ainda
mais imprescindível, dada a enorme variedade de minerais e rochas
presentes na natureza.
As
limitações
que defrontamos nesse
caso, com o uso do
sensoriamento remoto, podem ser agrupadas em três categorias
principais:
Limitações decorrentes de para metros ambientais
Limitações intrínsecas à formação espectral.
Limitações intrínsecas à formação espectral.
Quanto às limitações impostas pelos sensores, a principal esta no
numero de bandas e na largura espectral delas. Muitos materiais
somente poderão ser diferenciados entre si, caso a largura das bandas
espectrais dos sensores imageadores sejam suficientemente estreitas da
ordem de 10 nm, que é mais ou menos a largura média das bandas de
absorção.
A compensação para uma boa parte dessas limitações pode ser
alcançada com o uso de sensores imageadores hiperespectrais que
possuem centenas de bandas com largura espectral de poucos
manômetros.
sensores imageadores
hiperespectrais:
Airborne Visível/Infrared
Imaging
Spectrometer
(AVIRIS)-224 bandas
 Geophysical and
Enverimental Research
Spectrometer (GERIS)-63 Bandas
2000 a 2400 nm

BANDAS DE ABSORÇÃO
Feições No Intervalo do Visível ao Infravermelho Próximo
Espectros de minerais cujas bandas de absorção ocorrem no
Intervalo do Visível ao Infravermelho Próximo
são originadas
basicamente das transições eletrônicas de transferência de carga e
de campo cristalino.
 Minerais que contêm metais de transição em sua estrutura
Fe, Mn, Ni, etc
 Características de configuração de seus orbitais.
Feições No Intervalo do Visível ao Infravermelho Próximo.
Ferro Ferroso Fe2 e
Fe  Férrico
3
Fe 
2
Forte absorção combinada
850 nm
900  940 nm
650 nm
Fe 
3
com a subida reflectância
são responsáveis pela
coloração vermelho  amarelada
0.4 a 1.1 m

 

Transições eletrônicas
Feições No Intervalo do Visível ao Infravermelho Próximo.
Manganês Mn 2 
 10 %
Espectro total opacidade
acentuadamente
no
visível
Bandas de condução que
se estendem para todo
intervalo do espectro até
o Infravermelho.
De cor preta
10 %
Feições No Intervalo do Visível ao Infravermelho Próximo.
Manganês Mn 2 
rodocrosita
412 nm
Feições No Intervalo do Visível ao Infravermelho Próximo.
Cobre Cu 2
550 nm
Crisocola
800 nm
cobre
300 nm
Espectros de rochas
Rochas Ígneas
Ácidas
Intermediarias
Básicas
Ultrabásicas
Rochas Sedimentares
Rochas Metamórficas
Clásticas ou dentríticas
Rochas de natureza química
Origem orgânica
Ardósias
Filitos
Xistos
Grau Metamórfico
Espectros de rochas ígneas
Rochas ácidas
Rochas Intermediárias
Albedo mais alto
Espectros sem feições de
absorção
Rochas básicas
Feição difíceis detectar
Rochas ácidas
Ampla feição em torno de
Rochas Ultrabásicas
1000 nm
Rochas básicas
Baixo albedo
Ausência de bandas de
água e de hidroxila
Espectros de rochas metamórficas
1000 nm
Ferro ferroso
1400 nm
Hidroxila
 2000 nm
Espectros de Rochas de Alteração Hidrotermal
Processo de alteração de
rochas existentes em uma
área leva à formação de
um
halos
zoneamento
de
ou
de
minerais
de
alteração
que
são
importantes do ponto de
vista mineral
Espectro
de
reflectância
dos principais minerais de
alteração no intervalo do
infravermelho
Espectros com Matéria Carbonosa
Livre matéria orgânica
Redução de reflectância
Aumento da matéria
orgânica
Albedo muito reduzido
Comportamento Espectral dos Solos
Estudos sistemáticos dos solos - C O R - Perfis e Horizontes Pedológicos
Experiência prática - Correlação da ocorrência de componentes como a
matéria orgânica e óxidos de ferro
“A reflectância do solo, em todos os comprimentos da faixa do espectro
óptico, é uma propriedade cumulativa que deriva do comportamento
espectral dos constituintes minerais, orgânicos e fluidos que combinados,
compõem os solos”
Outros fatores importantes nas propriedades de reflectância dos solos:
Tamanho e organização das partículas
Espectrorradiometria de reflectância - Ferramenta importante para a
identificação dos componentes dos solos em campo, em laboratório ou
por meio da análise espectral de sensores remotos.
A Espectrorradiometria de reflectância no estudo dos solos
Desenvolvimento
do sensoriamento
remoto
Interesse pelo estudo
das propriedades de
reflectância dos solos
(composição mineral e
orgânica e propriedades
estruturais e texturais)
Aplicação da
espectrorradiometria
de reflectância no
estudo dos solos é
relativamente
recente (Década de
60)
Baumgardner &
Stoner (1982);
Baumgardner et al.
(1985), Myers
(1983) e Mulders
(1987)
Fundamentos de interpretação de imagens
obtidos em estudos espectrorradiométricos
de campo ou em laboratório
Padrões de Espectros de Reflectância dos Solos
Medidas de reflectância de solos (60’s) - Padrões de curvas espectrais de acordo
com os constituintes dos solos (Obukhov & Orlov, 1964; Condit, 1970 e 1972;
Baumgardner, 1981)
a) Alto teor de matéria orgânica e textura argilosa - (espectro a) - As características dos
espectros são dominadas pela matéria orgânica; baixo albedo e forma convexa no
intervalo de 500 a 1300 nm;
b) Teores baixos em matéria orgânica e em óxido de ferro - (espectro b) - Albedos altos e
forma côncava no intervalo de 500 a 1300 nm;
c) Teores baixos em matéria orgânica e médio em óxido de ferro - (espectro c) - As
características dos espectros são influenciadas pelos óxidos de ferro;
d) Teor alto de matéria orgânica e arenosos - (espectro d) - As características dos
espectros são influenciadas pela matéria orgânica, apresentando no intervalo de 500 a
1300 nm um segmento côncavo (500 a 700 nm) e outro convexo (750 a 1300 nm);
e) Teor alto de óxidos de ferro e textura argilosa - (espectro e) - As características dos
espectros são dominadas pelos óxidos de ferro, com a particularidade de apresentar
albedos muito baixos e valores de reflectância decrescentes para os comprimentos de
onda superiores a 750 nm.
FIGURA
Figura 1. Espectros de reflectância representativos de horizonte superficial de solos: (a)
forma dominada pela matéria orgânica; (b) forma minimamente alterada; (c) forma
afetada pelo ferro; (d) forma afetada pela matéria orgânica; (e) forma dominada pelo ferro
Trabalhos de Espectrorradiometria Desenvolvidos no Brasil
Contribuição para a elucidação das peculiaridades de reflectância
dos solos tropicais
Formaggio, 1983; Epiphanio et al., 1987; Epiphanio et al., 1992; Formaggio &
Epiphanio, 1988; Madeira Netto, 1991; Madeira Netto et al., 1990, 1991, 1992,
1993, 1995; Stoner et al., 1991; Valeriano et al., 1995
Epiphanio et al., 1992 - Mais abrangente - Obtenção de 111 espectros e dados
físico-químicos de amostras de 53 perfis de 14 classes de solos do Estado de São
Paulo.
Valeriano et al., 1995 - Verificação se os espectros de reflectância definiam padrões
típicos - Análise de acordo com a forma, o albedo, as feições de absorção e a
presença de inflexões no visível, agrupando os espectros em quatro classes gerais.
Constatou-se a não ocorrência de uma relação biunívoca entre as classes de solos
e os tipos de espectros de reflectância, ou seja, para cada um dos tipos de
espectros, relacionam-se diferentes classes de solo, e solos pertencentes a uma
mesma classe podem apresentar diferentes tipos de espectros.
Madeira Netto et al. (1993) - Realização de medidas espectrorradiométricas em 56
amostras de latossolos e solos hidromórficos - Identificação de três classes gerais
de espectros (minerais responsáveis pelas feições características)
A) Solos praticamente desprovidos de óxidos de ferro - Característica principal a
forma convexa no intervalo espectral de 400 a 1300 nm.
B) Solos ricos em óxidos de ferro - Banda intensa e larga centrada em 950 nm,
uma centrada em 650 nm e outra entre 450 e 530 nm.
C) Solos ricos em minerais opacos como a magnetita e a ilmenita - Forma
relativamente plana além dos comprimentos de 750 nm e o baixo albedo.
Obs.:1) Os espectros do tipo A e B apresentam ainda as feições características da
caulinita, centrada em 2200 nm e/ou gibbsita centrada em 2235nm.
Obs.:2) Embora as amostras que exibem as características do espectro “C”
apresentem altos teores de óxido de ferro (hematita e/ou goetita), as feições
desses minerais são atenuadas pelas absorções da magnetita.
FIGURA
Figura 2. Espectros de reflectância de três tipos principais de composição mineralógica,
definidos por Madeira Netto (1993). (A) praticamente sem óxidos de ferro; (B) teores
elevados em óxidos de ferro e praticamente sem minerais opacos; (C) teores elevados
em óxidos de ferro e presença de minerais opacos.
Detecção de Componentes dos Solos
• Identificação de alguns dos componentes e de algumas de suas características físicas;
• Obtenção de informações importantes, quanto à ocorrência e à abundância de minerais,
úteis a estudos pedológicos de naturezas diversas;
• Caráter não-destrutivo, rapidez e possibilidade de obtenção dos dados de reflectância à
distância;
• Obtenção de dados por espectro-imageadores que, cobrindo grandes superfícies,
permitem a compreensão das co-variações de alguns dos componentes dos solos com
outros elementos definidores da paisagem;
Principais componentes do solo com influência na reflectância
Argilominerais (caulinita e montmorilonita)
Óxidos de alumínio e de ferro
Matéria orgânica
Minerais calcita e gibbsita
Água
Argilominerais
• Mais freqüentes - Caulinita e Montmorilonita;
• Feições de absorção na região do infravermelho de ondas curtas, centradas em 1400
(vibrações de estiramento do grupo OH) e 2200 (vibrações de dobramento das ligações AlOH) nm;
• Presença de água na Montmorilonita - Bandas intensas de absorção em 1400 e 1900 nm;
• Dissimetria (Hauff et al., 1990 e Kruse et al., 1991) - Indicador da forma da banda Sobreposição das feições dos dois minerais - Distinção dos teores de caulinita (~0,25) e
montmorilonita (~1,0) centrada em 2200 nm.
Gibbsita
• Grandes quantidades em solos submetidos a forte intemperismo, podendo, em alguns casos
ser o mineral dominante na fração argila;
• Feições devidas às vibrações do grupo OH (Al2O3.3H2O) - Feições espectrais no
infravermelho próximo e de ondas curtas: harmônica de estiramento (2s em 1550 nm) e
combinação dos modos de dobramento e estiramento (d+s em 2300 nm);
FIGURA
• Solos tropicais - presença de caulinita e gibbsita - Proporção dos minerais indica o grau de
intemperismo (distinção de classes de solos).
FIGURA
Figura 3. Espectros de reflectância difusa (1200 a 2400 nm) de uma amostra de gibbsita
moída e peneirada a 50 m. As transições moleculares são indicadas.
Figura 4. Espectros de reflectância difusa (2000 a 2400 nm) de uma amostra de solo
com 39% de caulinita e 40% de gibbsita.
Óxidos de Ferro
• Mais freqüentes - Goethita (FeOOH) e hematita (Fe2O3);
• Importância da compreensão da predominância de um ou outro mineral, devido a fatores
pedoclimáticos, para o estudo de solos tropicais;
• Diferentes práticas de manejo podem ser inferidas de informações relativas à
predominância da goethita ou da hematita (influência diferenciada na adsorção de fósforo);
• Goethita e hematita apresentam diferentes feições espectrais nas regiões do ultravioleta,
visível e infravermelho próximo;
• A posição precisa (transições eletrônicas) e a intensidade relativa das feições de absorção,
determinadas por Sherman & Waite (1985), centradas em 530 nm para a hematita e em
480 nm para a goethita, determinam as cores vermelha e bruno-amarela, respectivamente,
para os dois mineras supracitados;
FIGURA
Correlação entre parâmetros colorimétricos extraídos
reflectância dos solos e seus teores de óxidos de ferro
Barron & Torrent (1986)
RR 
 x  0 . 34 2
 y  0 . 34  * Y % 2
dos
espectros
de
Madeira Netto (1993)
IR 
 d
 580  * Pe %
Y%
2
x e y = coordenadas cromáticas
d = comp. de onda dominante
Y% = brilho da cor
Pe% = saturação da cor
obs.: x, y e Y% Comissão Inter. de Iluminação (CIE)
Y% = brilho da cor
Figura 5. Espectros de reflectância difusa (400 a 1400 nm) de uma amostra de goethita
(a) e de uma hematita (b). As transições eletrônicas são indicadas.
Magnetita e Ilmenita
• Quantidades significativas destes minerais em solos desenvolvidos de rochas máficas;
• Estes minerais são herdados dos materiais de origem e não são produtos da alteração
pedogenética;
• Os espectros de reflectância desses minerais não apresentam feições claramente definidas;
• Espectros apresentando albedos normalmente muito baixos (inferiores a 5%) no visível e
no infravermelho;
• A opacidade destes minerais é atribuída por Strens & Wood (1979) pelas transferências
de carga entre íons (Fe2+, Fe3+, O2- e Ti4+);
Matéria Orgânica
• Classificada nas categorias huminas, ácidos fúlvicos e ácidos húmicos;
• A proporção destes compostos variam em função dos fatores de formação, tais como as
condições climáticas, os organismos que deram origem à matéria orgânica e a composição
dos materiais inorgânicos (Flaig et al., 1975) ;
• Os espectros de reflectância desses minerais não apresentam feições claramente definidas;
• Dados espectrais de laboratório mostram que as características de reflectância dos ácidos
húmicos e fúlvicos são bem diferentes, não sendo ainda bem compreendida a natureza das
relações entre a composição da matéria orgânica e a reflectância dos solos;
Os ácidos húmicos mostram reflectância muito baixa
(<2%) em todo o espectro devido ao grande número de
constituintes moleculares que absorvem no visível, como os
compostos turfosos e seus produtos de oxidação, os
aminoácidos, etc. Já os ácidos fúlvicos atingem valores em
torno de 22% em 750 nm.
FIGURA
Figura 6. Espectro de reflectância difusa de três amostras de solo antes e depois da
remoção da matéria orgânica. As amostras a, b e c referem-se respectivamente, a cada
um dos três tipos de reflectância representados na figura 2.
Água
• O efeito da água na reflectância do solo causa a ocorrência de bandas de absorção
centradas em 760 nm, 970 nm, 1190 nm, 1450 nm e 1940 nm e provoca decréscimo
geral da reflectância em todos os comprimentos de onda;
• Angstron (1925) - filmes de água - aumento das reflexões internas - maior porção de
energia permanece no solo - diminuições de reflexão proporcionais ao aumento da umidade ;
• Para solos com fortes bandas de absorção no visível (latossolos), os efeitos da umidade
são dependentes do comprimento de onda e da posição e intensidade das feições
espectrais da fase sólida dos solos;
• Pode-se estimar o conteúdo de umidade dos solos, medindo a intensidade das bandas de
absorção da água. Utiliza-se a feição centrada a 1450 nm (mais sensível) havendo relação
linear entre a intensidade dessa banda de absorção e o teor de água no solo; Quanto mais
profunda a banda de absorção, maior é o teor de água presente;
Granulometria
• O efeito da granulometria na reflectância foi avaliado por meio de equações que
demonstraram haver relação inversa entre o tamanho das partículas e a reflectância;
• Quanto menor for o tamanho das partículas, maior será o albedo dos solos, pois os
materiais com partículas menores apresentam superfície mais uniforme, com menor de
poros para reter a luz incidente;
• Quanto menor for o tamanho das partículas, maior será o albedo dos solos, pois os
materiais com partículas menores apresentam superfície mais uniforme, com menor de
poros para reter a luz incidente;
• No campo, a reflectância de solos não perturbados mostram resultados inversos aos
obtidos em laboratório, isto é, a reflectância dos solos argilosos é normalmente inferior
à dos arenosos. Isto porque a estrutura dos solos de textura mais fina em condições
não-perturbadas forma agregados de maior tamanho que a areia;
• Para a superfície de solos perturbados pelo preparo, a rugosidade reduz a reflectância,
devido ao efeito de sombreamento dos torrões;
R = reflectância;
d = diâmetro dos agregados;
Orlov (1966)
R  k * 10
 nd
 R0
R0 = reflectância para os agregados
de tamanho superior àquele para o
qual não há mais efeito do tamanho
da partícula;
k e n = constantes que dependem
do tipo de solo.
Considerações Finais
• Ainda não foi encontrada uma fórmula universal para analisar os dados
espectrais de todos os tipos de solos. As relações entre as características
espectrais e algum componente do solo são geralmente válidas para um
conjunto de situações que precisam ser experimentalmente definidas. Muita
pesquisa é ainda necessária para estudar os efeitos interativos entre os
diferentes componentes do solo sobre a reflectância;
• No intervalo espectral do visível ao infravermelho de ondas curtas, os
dados radiométricos dizem respeito à interação da energia com uma camada
muito fina dos solos (apenas alguns milímetros). Os pedólogos que utilizam
as medidas da luz refletida, principalmente de dados de satélite, precisam
saber como as propriedades dessa delgada camada se relaciona com a
cobertura pedológica inteira, para que se possa obter informações relevantes
sobre os solos, baseadas em dados radiométricos.
FIM