Baixe Espectroeletromagético e Análise de Imagens: Aplicação em Ecologia e outras Notas de estudo em PDF para Ecologia, somente na Docsity! Fundamentos 1. INTRODUÇÃO Desde 1969, o brasileiro coleta e analisa dados de Sensoriamento Remoto obtidos por sensores a bordo de aeronaves e/ou de plataformas orbitais, pesquisando, desenvolvendo e aplicando metodologias ao estudo dos recursos naturais do país. Quando o Brasil entrou na era espacial, já havia no mundo muita experiência acumulada a respeito dos ecossistemas temperados. Por essa razão, além de se iniciar em nova tecnologia, os pesquisadores brasileiros tiveram que calibrar as variáveis de nossos ambientes com relação aos produtos obtidos por sensores remotos. Esta tarefa se mostrou especialmente trabalhosa, em vista da biodiversidade e da diversidade de ambientes de um país tropical, com dimensões como as do Brasil. A cada passo adiante da tecnologia, novas calibrações tornam- se necessárias para se ter certeza de que as diferenças espectrais registradas pelos sensores remotos são devidas às propriedades dos alvos e não devidas a artefato de coleta ou de interpretação. Assim, registrou-se um longo período de coleta de dados primários nos diversos ecossistemas. Com a experiência acumulada nessas mais de três décadas, hoje é possível confiar nas várias informações obtidas por sensores remotos. Há, contudo, muito que se calibrar, seja porque o conhecimento ainda não se esgotou, seja porque os avanços tecnológicos não tendem a cessar. O objetivo desse trabalho é reunir o conhecimento acumulado pela autora desde 1981, em um produto capaz de conduzir o leitor ao uso correto e pleno do sensoriamento remoto e do geoprocessamento para medir algumas variáveis ecológicas. Visando alcançar este objetivo, alguns fundamentos serão relembrados, algumas aplicações serão sugeridas, ao mesmo tempo em que se alertará sobre as incongruências que podem ser ditas através do seu uso inadequado. O uso correcto e pleno do sensoriamento remoto passa pelo conhecimento de vários preceitos básicos. Passa também pelo conhecimento de suas limitações e de como superá-las. É importante lembrar que, ao longo do tempo, o modo como a energia interage com o alvo não mudou, mas a tecnologia para coletá-la e interpretá-la corretamente, sim. Como o obsoletismo dessas tecnologias é muito rápido, o enfoque maior será para aqueles itens que não mudam, tais como o comportamento espectral dos alvos, os efeitos atmosféricos e de condições ambientais, as leis físicas das interações alvo radiação e os processamentos mais aplicáveis a ecologia de ecossistemas terrestres e aquáticos. 1.1. O que é Ecologia? Uma das mais antigas definições de que se tem registro data de 1870 (Ernst Haeckel), que disse ser a ecologia “o conjunto de conhecimentos voltados para a economia da natureza onde se investigam as relações do animal e seus ambientes orgânicos e inorgânicos”. Ao longo do tempo, este termo sofreu várias interpretações: “a ciência da comunidade”, segundo Frederick Clements, em 1905; “a ciência do ambiente”, segundo Karl Friederichs, em 1958; “o estudo da estrutura e da função da natureza”, segundo Eugene Odum, em 1959; e “o estudo da estrutura e da função do ecossistema”, também segundo Eugene Odum, em 1962 (Kormondy & Brown, 1998). Chapmann & Reiss (1999) resumem dizendo que é o estudo de como os organismos vivem e como interagem com seu ambiente. O ambiente de um organismo, por sua vez, possui um componente abiótico e outro biótico. - O abiótico se constitui de fatores basicamente “estáveis” (do ponto de vista das ciências biológicas), como a geomorfologia, envolvendo a geologia, a pedologia, a topografia e os causadores de todos os tipos de intemperismo de cada lugar, para a formação de diversos tipos de relevos e paisagens; e fatores variáveis, como o clima e disponibilidade de nutrientes. - O biótico envolve as interações entre organismos em que se incluem ações antrópicas, como aquelas causadas pelas modificações na biodiversidade e na riqueza. 1.1.1. Fatores do Ambiente Abiótico ou físico: Para efeito do que temos em vista, podemos sintetizá-los em: ⇒ Geomorfológicos – Essa ciência estuda, de forma ampla e sintética, outras ciências para encontrar a totalidade de fatores que compõem a formação das diferentes formas de relevo e paisagens em suas resistências e fragilidades. Assim, para seguir o modelo de Chapman & Reiss (1999), autores do esquema que será apresentado posteriormente, com o objetivo de integrar os fatores bióticos e abióticos, nos concentraremos em três das ciências que compõem a abordagem geomorfológica: Geologia, oferecendo as características dos diversos tipos de rochas; Pedologia, oferecendo as características dos diversos tipos de solos; e Topografia, indicando as diversas altitudes de cada paisagem. ⇒ Climatológicos – Aqui temos tudo o que é relacionado aos diferentes tipos de micro, meso e macro climas existentes em todas as escalas de nosso planeta. Não podemos esquecer também da importantíssima inter-relação entre os dois fatores básicos aqui citados, bióticos e abióticos, resultando em diversos tipos de intemperismo. 1.1.2. Fatores do Ambiente Biótico: O ambiente biótico envolve interações dos organismos e incluem aspectos de competicão, predação, herbivoria, reprodução e dispersão, as chamadas Geologia pedologia Os compostos inorgânicos do solo resultam do intemperismo das rochas. Assim, é muito importante saber que tipo de rocha está disponível em um dado ambiente. Grandes variações de temperaturas contribuem para o intemperismo mecânico, proporcionando a quebra das rochas em pedaços e facilitando a ação da água. As rochas também podem ser quebradas por intemperismo químico. O dióxido de carbono é dissolvido pelas águas da chuva, formando um meio ácido. Esta acidez reage com as rochas: calcário formando carbonatos de cálcio; o feldspato de rochas ígneas, como o granito, formando argila e carbonato de potássio. Este, por sua vez, ao se acumular na estrutura coloidal das argilas e na matéria orgânica, fica disponível para o uso das plantas. Vários outros minerais como ferro, magnésio, alumínio são produtos do intemperismo de vários tipos de rochas. O quartzo, por sua vez, é muito resistente ao intemperismo, permanecendo na forma de seixos e de areia. Geralmente, os produtos de intemperismo permanecem próximos do local de formação, por isso é muito importante conhecer a geologia local quando se estuda um ambiente. Outros processos importantes na formação dos solos são a erosão (de vários tipos) e a sedimentação. Topografia A altitude e a forma do relevo têm um papel muito importante na distribuição e na abundância dos organismos. A temperatura decresce com o aumento da altitude, selecionando as espécies que ali se instalam. Do mesmo modo, a presença de escarpas requer habilidades específicas para uma espécie viver ali. Dependendo do índice de inclinação, há risco de deslizamentos. A orientação das vertentes também pode selecionar espécies com habilidades específicas (C3 e C4). A topografia também condiciona a disponibilidade de água, seja para as plantas, seja para os animais. A topografia dos mares e lagos (ou batimetria) é muito importante para os organismos aquáticos. A água absorve a luz prontamente, em especial a luz visível (do azul ao vermelho do espectro eletromagnético). A luz vermelha pode ser absorvida até cerca de 30 metros. A luz verde, assim como a azul, penetra mais fundo até cerca de 140 metros, até onde se podem encontrar algas verdes. Latitude O sol é a principal fonte de luz da terra e, conseqüentemente, de calor. O comprimento dos dias e a intensidade luminosa são fatores decisivos na inclusão ou exclusão de um ser vivo num dado local. É a rotação da terra em torno do seu eixo que cria o dia e a noite. A inclinação do eixo da terra juntamente com a translação fazem variar a face da terra voltada para o sol ao longo do ano, criando, assim, as estações. No equador, o comprimento do dia e da noite é praticamente igual. Já nas altas latitudes, nos pólos, isso pode significar até dias de 24 horas e noites de 24 horas durante o verão e o inverno, respectivamente. Nas latitudes médias, ao redor dos trópicos, os dias são mais longos no verão e mais curtos no inverno, embora com uma variação bem mais tênue do que nos pólos. Climas e condições atmosféricas Em diferentes condições de topografia, relevo e de latitude ocorrem climas com variações anuais (estações do ano) que influenciam os ciclos abióticos e bióticos (fenologia e ritmos circadianos). As variações nas estações do ano ficam nitidamente evidenciadas: nas plantas, através de certas características fenológicas (senescência, floração, brotamento) e nos animais, através de mudanças de comportamento (hibernação e migração). Catástrofes Os fatores eventuais como fogo, deslizamentos, erupções vulcânicas, terremotos, furacões podem modificar o ambiente biótico alterando processos sucessionais bem como a adaptabilidade das espécies em geral. Ação antrópica sobre o meio físico Daqueles fatores dependentes do homem temos as inundações, os deslizamentos, o fogo, a modificações da superfície e do subsolo, somente para citar alguns. O homem constrói cidades, barragens e diques, assoreia corpos d’água, muda cursos de rios, explora o subsolo, altera os componentes do solo, sempre deixando marcas indeléveis. Ação antrópica sobre a biota As modificações feitas pelo homem na natureza nem sempre passam desapercebidas. O homem tem uma habilidade inequívoca de deixar marcas por onde passa. Estas marcas são conhecidas como “pegadas ecológicas” e constituem-se nas modificações que o homem faz na natureza, também conhecidas como impactos ambientais. Estas modificações do ambiente podem repercutir, desde a escala individual até a escala global, dependendo da extensão e da intensidade da modificação. Ao se agrupar, formando os ambientes urbanos, o homem modifica a biodiversidade ao seu redor removendo a cobertura vegetal natural, lavrando a terra, alterando o solo e o subsolo, modificando os corpos d’água, introduzindo espécies exóticas e favorecendo o crescimento de certas espécies. Dependendo do aglomerado urbano, os efeitos podem ser individuais (micro escala) ou regionais (macro escala). Em ambientes urbanos com menos de 20.000 habitantes, os efeitos são ditos como sendo locais. Em ambientes com milhões de habitantes, os efeitos podem chegar a níveis regionais. Entretanto, há casos de ações individuais que causaram danos regionais, como o derramamento de óleo no mar, por exemplo. 1.2. Como combinar estes elementos? A pergunta que leva à compreensão total sobre um organismo é onde ele vive. Definindo-se o meio (se aquático ou terrestre), resta apenas saber o taxon a que ele pertence (animal, vegetal ou outros) para se ter uma radiografia do organismo em questão. Sabendo onde ele vive e lembrando que a organização dos seres vivos tem a seguinte seqüência: organismo população comunidade ecossistema bioma, podemos identificar o ecossistema do qual ele faz parte, ampliando assim o conhecimento sobre o organismo. O “onde vive” está associado ao ambiente abiótico e o “ele” (indivíduo), juntamente com os demais organismos com quem interage, está associado ao ambiente biótico. Das interações abióticas e bióticas resultam os habitats, promovendo a instalação de populações, formando comunidades, levando à formação de ecossistemas e, conseqüentemente, de biomas. Um exemplo dessa interação é o fato de que fatores físicos como pH, temperatura, disponibilidade de água e luz podem afetar o crescimento de uma dada população, alterando sua habilidade de competição e alterando a sua abundância. Para estudar uma população (conjunto de indivíduos de mesma espécie), um dos caminhos é identificar o habitat. Este, contudo, nem sempre caracteriza uma espécie completamente, em vista de o mesmo espaço físico ser ocupado simultaneamente por diversos organismos distintos. Somente quando se conhece muito bem o comportamento de uma dada espécie é que se costuma utilizar o seu habitat como unidade de estudo. Por exemplo, supondo que o meio onde uma dada espécie vive é águas continentais. Nesse caso, ao identificar os corpos d’água de uma dada região, estamos automaticamente identificando os locais da provável ocorrência do seu habitat. Contudo, existe a possibilidade de alguns desses corpos d’água não serem doces. Nesse caso, é preciso buscar outros indicativos de água doce, como a presença de macrófitas. A Comunidade, por sua vez, constitui-se de grupos integrados de populações que ocorrem juntos em um habitat ou ambiente comum. Assim, identificando apenas o habitat, não há garantias de que se identificou uma comunidade. O Ecossistema, que corresponde ao conjunto de comunidades vivendo em diferentes compartimentos de um mesmo ambiente, é o nível de organização mais fácil de ser identificado por sensores remotos, pois a resposta obtida é função direta da sua estrutura. Conhecendo a estrutura de um ecossistema, pode se chegar ao seu estado de conservação e até ao seu tamanho. As avaliações de padrões de estrutura e função de ecossistemas estão relacionadas com a distribuição espacial de certos parâmetros, em uma escala de tempo. Conhecendo o estado dos receber o tal “pacote”. Quando a energia é transferida de um sistema para outro, diz-se que houve absorção. Quando a energia entra em contato com o material, mas foi repelida, diz-se que houve reflexão e, quando não há interação alguma, diz-se que houve transmissão da energia. No mundo real, os três processos ocorrem simultaneamente. O registro dessa interação é que depende de detectores específicos para cada faixa espectral. Não há um detector capaz de detectar todas as faixas pois a interação depende do comprimento de onda e da estrutura do alvo. Imageamento: O imageamento consiste em armazenar em celas um número relacionado com a energia refletida ou emitida por frações da superfície da Terra. Para tanto, coletores de energia foram desenvolvidos (lentes, espelhos, orifícios e calhas) e sistemas degradadores de energia, como o prisma, foram colocados no trajeto entre o coletor e o sistema sensor, de modo que a energia coletada seja degradada em faixas espectrais de interesse. Os imageadores podem ser de varredura ou não. No primeiro caso, a coleta de energia é amplificada, permitindo que o elemento de resolução no terreno (pixel) possa ser menor do que aquele imposto pela altura do sistema em relação ao alvo. No segundo caso, o produto é uma tabela de dados. Se a plataforma for avião, as imagens são coletadas em películas fotográficas. Se a plataforma for orbital, a energia registrada é enviada à terra segundo um padrão radiométrico previamente estipulado (no formato de bits). Assim, a “granulação” da imagem gerada dependerá do tamanho dos pixels (resolução espacial), do número de sensores espectrais (resolução espectral) e do número de bits com que a energia foi armazenada (resolução radiométrica). Estas resoluções têm variado com a evolução tecnológica. Nestes 30 anos de sensoriamento remoto, aumentaram a resolução espectral (maior número de faixas), a resolução espacial (diminuindo o tamanho do pixel) e a resolução radiométrica (maior número de bits). No Brasil, o INPE é o órgão responsável pela recepção de dados, processamento, pesquisa, calibração, ensino e desenvolvimento tecnológico relativo ao sensoriamento remoto. Durante muitos anos, era o único na América do Sul responsável pela distribuição e comercialização de imagens, graças a sua antena receptora situada em Cuiabá. A história do INPE é absolutamente necessária para que as gerações futuras saibam como tudo começou, uma vez que o sensoriamento remoto nasceu com fins militares e que, somente depois de obsoletas para tal fim, estas tecnologias foram colocadas à disponibilizadas para fins civis. Quadro 1. Quadro 1 HISTÓRIA DO INPE Segundo a página Web do INPE (http://www.inpe.br), “o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) nasceu da vontade de alguns brasileiros de fazer com que o país participasse da conquista do espaço iniciado nos anos 50. O Brasil começou a trilhar este caminho ao mesmo tempo em que as nações desenvolvidas lançavam os primeiros satélites artificiais da Terra.” - 1961: houve um decreto criando o Grupo de Organização da Comissão Nacional de Atividades Espaciais (GOCNAE); - 1971: No dia 22 de abril foi criado o embrião do atual Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), subordinado ao CNPq; - 1972: foi criado o curso de Mestrado em Sensoriamento Remoto; - 1990: No dia 17 de outubro é aprovada a Estrutura Regimental da SCT, passando o INPE a integrá-la na qualidade de órgão singular, como também a ser denominado Instituto "Nacional" de Pesquisas Espaciais, único Instituto de Pesquisa Espacial em âmbito nacional; - 1993: é colocado em órbita o primeiro satélite brasileiro, o SCD-1, demonstrando a capacidade brasileira no desenvolvimento e operação de sistemas espaciais; - 1998: o SCD-2 é também lançado com sucesso, operando com melhor desempenho do que o primeiro, devido às inovações tecnológicas; - 1998: criação do Programa de Doutorado em Sensoriamento Remoto; - 1999: é lançado o CBERS-1, satélite sino brasileiro de recursos terrestres, fruto da cooperação entre os governos Brasileiro e Chinês. O CBERS-2 está previsto para 2002. O reconhecimento da capacidade do INPE no desenvolvimento de tecnologia espacial e também de aplicações reflete-se na participação brasileira na construção da Estação Espacial Internacional (International Space Station – ISS), o maior empreendimento do mundo no setor, reunindo 16 países. Desde 1969, o INPE coleta e analisa dados de Sensoriamento Remoto obtidos por aeronaves (câmaras fotográficas, imageadores, radares, etc.) e/ou plataformas orbitais (LANDSAT, SPOT, SPACE SHUTTLE, NOAA, ERS, JERS, RADARSAT, etc.), pesquisando, desenvolvendo e aplicando metodologias ao estudo dos recursos naturais do País. O embasamento teórico que está por trás do uso de sensoriamento remoto para monitorar e quantificar recursos naturais passa por algumas áreas da física. Recordar estes conceitos e fundamentos é absolutamente necessário para que se faça bom uso desta tecnologia. A correta interpretação dos dados sensoriados remotamente por diferentes sensores é responsável pela credibilidade de que desfruta hoje, bem como pela sua crescente popularidade nas várias áreas do conhecimento. Espectro Eletromagnético. É o conjunto ordenado das radiações eletromagnéticas (REM) conhecidas, organizadas por freqüência ou por comprimento de onda no eixo X e pela energia no eixo Y. Radiação é o processo no qual a energia é transferida na forma de ondas eletromagnéticas: a freqüência não muda quando muda o meio de propagação. Assim, a energia é reconhecida pela sua freqüência, podendo ser quantificada. Este espectro é subdividido em faixas, representando regiões que possuem características peculiares em termos dos processos físicos, geradores de energia em cada faixa, ou dos mecanismos físicos de detecção desta energia. Dependendo da região do espectro, trabalha-se com energia (elétron-Volts), comprimentos de onda (micrômetro ou nanômetro), ou freqüência (Hertz). Por exemplo: na região dos raios gama e cósmicos usa-se energia; na região entre o ultravioleta e o infravermelho usa-se comprimento de onda; e na região das microondas e das ondas de radio usa-se freqüência. A faixa de comprimentos de onda ou freqüências em que se pode encontrar a radiação eletromagnética é ilimitada. Com a tecnologia atualmente disponível, pode-se gerar ou detectar a radiação eletromagnética em uma extensa faixa de freqüência que se estende de 1 a 1024 Hertz, ou comprimentos de onda que se estendem de 108 metros até 0.01 Ângstrom. As principais faixas do espectro eletromagnético estão descritas abaixo e representadas na figura a seguir. Ondas de baixas freqüências e grandes comprimentos de onda: As ondas eletromagnéticas nesta faixa são utilizadas para comunicação a longa distância, pois, além de serem pouco atenuadas pela atmosfera, são refletidas pela ionosfera, propiciando uma propagação de longo alcance. Microondas: situam-se na faixa de 1 mm a 30 cm ou 3 X 1011 a 3 X 109 Hz. Nesta faixa de comprimentos de onda, podem-se construir dispositivos capazes de produzir feixes de radiação eletromagnética altamente concentrados, chamados radares. Pouca atenuação pela atmosfera, ou nuvens, propicia um excelente meio para uso de sensores de microondas em qualquer condição de tempo. Absorção A energia de um feixe de REM é transformada em outras formas de energia. É uma atenuação seletiva observada em vários constituintes, tais como vapor d’água, ozônio, monóxido de carbono, entre outros. Em muitos casos, a atenuação pode ser desprezada por ser muito pequena. Espalhamento A energia de um feixe de REM colimada é removida por mudança de direção. Ao interagir com a atmosfera, pelo processo de espalhamento, gerará um campo de luz difusa, que se propagará em todas as direções. Existem três tipos de espalhamento: (χ) Espalhamento Molecular ou Rayleigh: produzido essencialmente por moléculas dos gases da atmosfera. Ela se caracteriza pelo fato de sua intensidade (E) ser inversamente proporcional à Quarta potência (P) do comprimento de onda (E = ¼ P). Isto explica a coloração azul do céu, onde o comprimento de onda nesta faixa é menor. (b)Espalhamento Mie: ocorre quando o tamanho das partículas espalhadoras é da ordem do comprimento de onda da radiação. (c) Espalhamento não seletivo: ocorre quando os diâmetros das partículas são muito maiores que o comprimento de onda. A radiação de diferentes comprimentos de onda será espalhada com igual intensidade. A aparência branca das nuvens é explicada por este processo. PS1 – A atenuação da radiação pode explicar ainda a cor avermelhada do entardecer, isto é devido à maior espessura de atmosfera que a radiação tem de atravessar, e onde ficam retidos os menores comprimentos de onda (azul) da luz, deixando passar a componente vermelha da luz solar. PS2 – Devido aos fatores de atenuação é importante um planejamento antes da aquisição dos dados e dos processos de interpretação. 2.2. Sensoriamento Remoto e a Ecologia Para se extraírem informações ecológicas corretas a partir dos produtos de sensoriamento remoto, faz-se absolutamente necessário conhecer: - os componentes de interesse (biológico, ecológico, físico e/ou químico); - de que modo estes componentes interagem com a radiação eletromagnética (REM) das diversas faixas conhecidas (ultravioleta, visível, infravermelho óptico, infravermelho termal e microondas); - os sistemas sensores disponíveis (ópticos e não ópticos), suas características e suas limitações; - os sistemas imageadores e seus produtos; e - os métodos disponíveis de interpretação destes produtos. Seja qual for o componente, é possível espacializar com precisão cartográfica e identificar e quantificar vários parâmetros e variáveis, através de SR aéreo ou orbital. Como já foi dito anteriormente, não há um único sensor capaz de sensoriar todas as faixas do espectro eletromagnético, uma vez que o sensor é um material que interage com a radiação de um certo comprimento de onda ou uma certa freqüência. O ideal é sensoriar no maior número possível de faixas espectrais, pois cada uma delas tem suas peculiaridades na forma de interagir com a REM, denotando assim características diversas de um mesmo alvo. Nos primeiros sistemas sensores (as câmeras fotográficas), somente as faixas do visível eram registradas nas películas fotográficas. Durante a II Guerra Mundial, foi desenvolvida uma película também sensível ao infravermelho próximo ampliando, assim, o espectro de observação por fotografias aéreas. Hoje existem sistemas multisensores capazes de sensoriar, por exemplo, o visível, o infravermelho óptico e o não óptico, como é o caso do sistema TM- LANDSAT. Em 1999, o Brasil (INPE), em parceria com a China, lançou com sucesso o CBERS-1, com três sistemas, com resoluções espacial, espectral e radiométrica complementares. Há também sistemas orbitais ativos de microondas que contam, até o momento, com quatro (S, L, C e P) faixas espectrais. Em 2003, deveremos ter em órbita o sistema japonês ALOS que combinará sensores do visível, do infravermelho óptico e das microondas, ampliando ainda mais o espectro de observação dos alvos terrestres. Prosseguindo com este raciocínio, resta saber: Que componentes da superfície terrestre podem ser sensoriados remotamente? - Os componentes vegetais; - Os componentes hídricos; - Os componentes rochosos. A superfície terrestre está coberta basicamente por água e rochas. Estas podem estar cobertas ou não por vegetação. A cobertura vegetal pode variar de densa até ausente. Tomando os padrões da natureza como referência, pode-se inferir se estes componentes foram mexidos ou não, denotando assim a ação antrópica. Leitura complementar no Quadro 2. Quadro 2 A vegetação e temperatura da Terra A energia do visível e dos infravermelhos próximo e médio, proveniente do sol, é absorvida pelos alvos da Terra de modo diferenciado. A energia não utilizada é liberada e/ou transformada em outras formas de energia, entre elas, a térmica. Alguns alvos absorvem mais que outros, como é o caso da água que tende a absorver quase totalmente a radiação recebida dessas faixas. Devido ao seu alto calor específico, a água guarda-o mais tempo do que os demais alvos. As rochas transformam as energias recebidas em calor, mas perdem-no rapidamente quando o sol se recolhe. A vegetação absorve a radiação desde o azul até o vermelho (visível), utiliza-a no processo fotoquímico e emite o restante para a atmosfera em comprimento de onda maior (termal e microondas). Na faixa do infravermelho próximo (IVP) a radiação é fortemente refletida pela vegetação, sendo que quanto mais folhas verdeshá, mais reflete. Este processo é responsável pelo balanço térmico da Terra, pois, ao refletir, impede a entrada destas energias no sistema. Os infravermelhos próximo e médio têm a propriedade de aquecer fortemente os corpos d’água. Como a vegetação pode refletir até 85% da radiação do IVP recebida, a Terra se aquece menos do que seria de se esperar frente à exposição solar observada. De um modo geral: - A radiação no termal indica a relação entre a energia irradiada (que chega) e a emitida (absorvida e convertida em energia térmica) que resulta de suas propriedades físicas e químicas. - As radiações nas microondas interagem com a textura da superfície e sua condutividade elétrica. - As faixas do visível e dos infravermelho próximo e médio interagem de modo diferenciado com as três grandes coleções (vegetal, hídrica e rochosa) de alvos da superfície da Terra. Os principais indicadores da ação humana sobre a superfície terrestre são as marcas deixadas na vegetação. O segundo indicador é a água. As rochas aparecem quando a vegetação é removida. Figura 2.1 – Comportamento espectral médio dos três principais alvos da Terra – água, solo e vegetação, nas duas variações mais comuns de cada alvo. (Adaptado de Lillesand & Kiefer, 1994) O gráfico da Figura 2.1, que apresenta no eixo do X comprimento de onda (µm) e eixo do Y porcentagem de reflectância, apresenta também as curvas de comportamento espectral das águas turva e limpa em amarelo e azul claro, respectivamente. Apresenta, também, os solos argiloso e arenoso, em roxo e marrom, respectivamente. As vegetações herbácea e arbórea aparecem em azul- marinho e magenta, respectivamente. A variação espectral nas águas resulta de diferentes tipos e concentrações de particulado em suspensão: particulado orgânico (plânton) e particulado inorgânico (silte e argila). Estas variações no campo representam alguns dos parâmetros ecológicos indicadores de qualidade da água. A presença de macrófitas submersas também pode influenciar o comportamento espectral da coluna d’água com uma resposta semelhante a do fitoplâncton. A variação espectral nos solos resulta de diferentes propriedades granulométricas responsáveis pela fertilidade do solo em questão, que condicionam qual tipo de vegetação natural o povoará, assim como que tipo de cultura pode ser cultivada nesses lugares. Além disso, aquelas edificações feitas com derivados de rochas (telhas, cimento, pedras) também apresentarão comportamento espectral semelhante aos solos. A variação espectral nas coberturas vegetais resulta de estruturas com distintas formas de vida, dando origem a diferentes funções. O turgor e o estado fenológico também influenciam o comportamento espectral. O padrão de ocupação da vegetação, assim como seu estado de conservação, revelam a ação humana. 2.3. FUNDAMENTOS DO SENSORIAMENTO REMOTO Para facilitar a compreensão dos conceitos que se seguem, alguns termos precisam ser definidos: SISTEMA SENSOR – compreende os aparatos de coleta da energia mais o seu detetor. A energia eletromagnética só pode ser percebida se interagir com algum material. Esta interação se dá em função da ressonância entre o comprimento de onda ou freqüência e a estrutura do material. O detetor é o material capaz de interagir com a energia de uma certa faixa do espectro eletromagnético. Os aparatos de coleta também variam com a faixa espectral: espectro refletido e espectro emitido. No primeiro caso, os aparatos de coleta de energia obedecem às leis ópticas (usando-se lentes e espelhos). No segundo caso, os aparatos são outros, que não obedecem as leis ópticas. Há que se usar detetores específicos para cada faixa espectral. RESOLUÇÃO ESPACIAL - Tamanho da área mínima no terreno correspondente a cada elemento na imagem – pode variar de 1 metro até 1,1 km, dependendo da plataforma e do sistema sensor. RESOLUÇÃO ESPECTRAL - Número de faixas espectrais do sistema sensor à ser utilizado: conhecer os sistemas disponíveis e quais são úteis no caso do seu alvo ou fenômeno – o número de faixas pode variar de 1 ao número de faixas espectrais conhecidas. RESOLUÇÃO RADIOMÉTRICA - Número de níveis de energia que o sistema é capaz de armazenar. O Número Digital (ND) pode variar de 6 bits (26 = 64), 8 bits (28 = 256), por exemplo – variação conforme o sistema sensor. RESOLUÇÃO TEMPORAL - O tempo entre uma tomada de dados e outra. Pode ser repetitivo ou não, conforme a plataforma (manual, helicópteros, aviões ou satélites) e conforme o projeto. Nos sistemas orbitais, o retorno do satélite ao mesmo ponto varia de 12 horas a 25 dias, conforme o sistema. No Quadro 4 são apresentadas as relações físicas da Radiância com as medidas que podem ser feitas através do sensoriamento remoto, nas várias faixas espectrais. Quadro 4 O QUE O SENSOR REGISTRA É A RADIÂNCIA (R) R alvo = ( H (ρ τ + B) / π ) seno α ρ = Reflectância do Alvo ( ρ = R / H ) H = Energia Solar que chega no Alvo τ = Transmitância da Atmosfera α = Ângulo de Elevação Solar B = Efeito atmosférico do tipo aditivo O QUE O SENSOR ORBITAL REGISTRA É R total = R alvo + R trajetória EFEITOS INDESEJÁVEIS SOBRE A RADIÂNCIA - LINEARIZAÇÃO Radiância (R) Número Digital (ND) - EFEITO MULTIPLICATIVO Ângulo de elevação solar - EFEITO ADITIVO Radiância da trajetória RELAÇÃO ENTRE R e ND R = [(R max - R min)/resolução radiométrica] ND + Rmin Resolução Radiométrica: 8 bits = de 0 a 255 níveis de Energia 10 bits = de 0 a 1023 níveis de Energia As imagens são geradas em linhas e colunas (sistema matricial). Contudo, para cruzar estas informações com outras em ambiente de SIG, é necessário que estas sejam geo-referenciadas, ou seja, transformar as coordenadas matriciais em coordenadas, planas ou geodésicas (como estão nos mapas cartográficos). Interpretações de imagens É incrível o número de “verdades” e de “mentiras” que podem ser contadas através de uma imagem. Assim, a interpretação deve ser baseada no modo como a radiação de cada faixa espectral interage com cada alvo. Para tanto, é necessário: - conhecer profundamente o alvo ou o fenômeno, objeto de estudo; - conhecer a radiação eletromagnética registrada pelo sensor utilizado; e - conhecer os mecanismos de interação alvo/radiação (assinatura espectral). A interpretação pode ser visual ou computadorizada, mas, em ambos os casos, é crucial que se conheça: - a assinatura espectral do alvo ou fenômeno; - os sistemas de processamento de imagens. Cada objeto reflete de modo diferenciado, gerando diferentes assinaturas espectrais nas várias faixas espectrais conhecidas, de acordo com: - composição mineral ou química; - tamanho das partículas; - tamanho das células ou dos espaços intercelulares; - teor de umidade; - rugosidade; - constante dielétrica. Os três principais alvos da Terra são água, rochas e vegetação. A interpretação correta dos dados obtidos por sensoriamento remoto depende da análise do comportamento ou da assinatura espectral de cada alvo em cada faixa do espectro eletromagnético. 2.3.1. Sensoriamento remoto da vegetação - permite espacializar a cobertura vegetal - permite quantificar a densidade da cobertura vegetal - permite identificar algumas variáveis ecofisiológicas - permite mensurar a ação antrópica sobre a cobertura vegetal Comportamento espectral da vegetação no Visível e Infravermelho Refletido: O comportamento espectral da vegetação se deve às propriedades físicas de seus componentes: - na faixa do visível (VIS) se deve aos pigmentos contidos nas folhas; - na faixa do infravermelho próximo (IVP) se deve ao arranjo espacial do mesofilo; - na faixa do infravermelho médio (IVM) se deve às moléculas de água presentes no mesofilo; - no termal depende da temperatura do corpo; e - nas microondas rugosidade do dossel e o teor de água das folhas. Interação da REM e a FOLHA No visível e infravermelho: no VIS absorção pelos pigmentos dos cloroplastos no IVP retroespalhamento resultante da variação de coeficientes de refração entre os espaços intercelulares e os espaços aéreos do mesofilo no IVM absorção pelas moléculas de H2O presentes principalmente nas células da folhas A Figura 2.2 mostra, novamente, as curvas padrão de comportamento espectral da água límpida, em vinho, da vegetação arbórea, em roxo, e do solo arenoso, em azul. São apresentados, também, os componentes vegetais responsáveis pelo comportamento da vegetação: os pigmentos absorvendo fortemente no visível, a estrutura do mesofilo refletindo fortemente no infravermelho próximo e a água absorvendo fortemente na faixa do infravermelho médio. Figura 2.2 – Comportamento espectral dos três grandes alvos da Terra juntamente com a subdivisão do espectro eletromagnético examinado e as indicações de que parte da planta é responsável pela assinatura em cada faixa. (Adaptado de Hoffer, 1978) O gráfico da Figura 2.3 traz várias curvas das quais se destacam aquela em vermelho, que é comportamento espectral de uma área com zero de biomassa verde e zero de cobertura vegetal, e a em azul-marinho, que é o comportamento espectral de uma vegetação com biomassa de 1650 Kg/ha e com 53% de cobertura vegetal. Figura 2.4 – Comportamento espectral de folhas verdes e folhas mortas (Adaptado de Choudhury, 1987) No gráfico da Figura 2.4 aparece, em verde, o comportamento espectral de folhas verdes e, em marrom, o comportamento espectral de folhas mortas (marrões), obtidos em laboratório. Note-se que, na faixa do vermelho, as folhas mortas mascaram a resposta das folhas verdes e que somente no infravermelho próximo as folhas verdes se destacam. Figura 2.5 – Comportamento espectral de folhas verdes, solo e cortiça. (Adaptado de Choudhury, 1987). O gráfico da Figura 2.5 mostra que os comportamentos tanto da cortiça, em vermelho, como o solo, em marrom, apresentam a mesma tendência, ou seja, refletem mais à medida que aumenta o comprimento de onda. A curva em verde, que se refere às folhas verdes, mostra que somente no infravermelho próximo as folhas se destacam do solo e dos troncos e galhos. Comportamento espectral nas microondas: C o m primentodeonda Cortiça Solo 1.2 1.11.00.90.80.70 . 6 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 5 0 . 9 1 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 4 0 . 3 Folhas verdes R ef le ct ân ci a Comprimento de onda (µm) banda L e P penetram o dossel – eco devido aos troncos e galhos; banda C e X refletem da superfície do dossel – eco devido às folhas. Efeitos sobre a REFLECTÂNCIA: Fatores que afetam a interação alvo/radiação Fatores que mascaram a reflectância da vegetação - idade das folhas - outras variáveis fenológicas - arquitetura dos indivíduos - porcentagem de substrato - Presença de substrato - Efeitos atmosféricos - Efeitos de iluminação - Nuvens e chuvas A REFLECTÂNCIA guarda uma relação: - DIRETA com: - INVERSA com: - Índice de Área Foliar - Fitomassa foliar verde - Pigmentos na célula - Teor de água na célula 2.3.2. Sensoriamento remoto da água - espacialização dos corpos d’água - quantificação da qualidade da água - identificação de particulados em suspensão - identificação e quantificação de macrófitas aquáticas - quantificação de áreas de inundação - teor de umidade dos corpos Comportamento espectral da água Em todas as faixas do espectro eletromagnético - do visível ao infravermelho médio e às microondas - a água absorve fortemente. Somente os elementos capazes de alterar as propriedades ópticas da água poderão ser monitorados por sensores remotos. Os particulados em suspensão são capazes de alterar estas propriedades modificando a turbidez da água e provocando um espalhamento da radiação incidente, que resulta em radiação emergente do corpo d’água, nas faixas do visível (VIS). Nessas faixas, a turbidez depende: - do tipo, - da quantidade e IEC = 10 [ 6 - (ln TM-3)/(ln 2)] Este índice é diretamente proporcional ao estado trófico relacionado com a turbidez da água. A escala do índice é de 0 a 100, sendo que 50 corresponde ao estado mesotrófico. À medida que se aproxima de zero, vai ficando oligotrófico, e à medida que se aproxima de 100, vai ficando eutrófico. As macrófitas submersas podem ser detectadas nas respostas espectrais do VIS, dependendo do pigmento predominante. As macrófitas emersas podem ser detectadas utilizando os mesmos métodos utilizados para vegetação terrestre. As Algas, por sua vez, refletem no VIS de acordo com seus pigmentos predominantes, que estão relacionados com sua posição na zona eufótica. Em caso de misturas vegetação - água (mangue e zonas de inundação), deve-se utilizar a faixa espectral do IVP para distinguir o que é água do que não é água. As imagens do IVM (infravermelho médio) são usadas para mapear a umidade do ambiente, bem como o turgor da vegetação. Nas imagens de Radar, todas as faixas são excelentes na identificação de corpos d’água, assim como da umidade do solo. 2.3.3. Sensoriamento remoto do homem Até o momento, o que se consegue “ver” por sensoriamento remoto, seja ele aéreo ou orbital, são as marcas deixadas pelo homem por onde passa. Suas obras e o modo como altera o ambiente têm sido bastante documentados e quantificados por vários autores (Brondizio et al., 1994). Assim, o que se pode estudar sobre o homem via sensoriamento remoto é o uso e a ocupação que ele faz da terra. Na década de 90, entretanto, com a liberação do GPS (do inglês global position system) para fins civis e o aperfeiçoamento do geo-referenciamento de imagens, tornou-se possível estudar as marcas, não só do homem moderno, mas também de populações tradicionais. A equipe do antropólogo Emílio Moran já acompanha algumas comunidades da Amazônia através de sensoriamento remoto orbital, há mais de 20 anos (Moran et al., 1994). As populações humanas modernas abrem estradas, mudam curso de rios, constroem cidades, removem a vegetação natural, alteram a biodiversidade, lavram a terra e domesticam animais, quase sempre em grandes proporções. Já as populações tradicionais, por seu pequeno número, fazem tudo isso, só que em pequeníssimas proporções. A forte tendência à urbanização, observada nas últimas décadas, tem requerido cada vez mais que a lavra da terra seja intensiva, com fortes investimentos tecnológicos. Com isso, os estragos à natureza também são concentrados. A globalização e a ganância contribuíram muito para a homogeneização do uso e da ocupação da terra e para as grandes transformações da superfície da terra. Através de sensoriamento remoto e geoprocessamento, inúmeras das variáveis de uso e ocupação da terra passaram a ser mensuradas, com um grau de certeza bastante bom. Além de identificar as marcas do homem pelas formas retilíneas e pelos corpos d’água, tornou-se possível também prever o volume das safras, nos casos de grandes monoculturas, em áreas de pouco relevo. Os índices de vegetação desenvolvidos na década de 70 foram uma tentativa de se fazer previsão de safras com precisão (Tucker, 1979;Tucker & Sellers, 1986). Mais recentemente, uma área de pesquisa da área de saúde pública, conhecida como Epidemiologia Paisagística, passou a utilizar sensoriamento remoto e geoprocessamento para quantificar suas váriaveis, aumentar a certeza de suas conclusões e até para modelar o contato entre homem e vetores de doenças e entre homem e potógenos, dependentes do ambiente. Desde Foratini (1962) que se associam variáveis ambientais com vetores e/ou patógenos. Hoje, contudo, é possível demarcar o raio de ação de um vetor ou de um procedimento sanitário e se avaliar o risco de contato com o mesmo ou a eficiência do tal procedimento. O uso de GPS e de imagens geo-referenciadas já é comum na literatura do Brasil e do mundo (Becker et al.,1994, 1997 e 2000; Bitencourt et al. 1999; Mucci, 2000). Com o advento do geoprocessamento, a ordenação territorial ficou mais fácil e mais precisa. Os zoneamentos, indispensáveis à ordenação territorial e a qualquer tomada de decisão, agora podem ser feitos, combinando-se informações oriundas de diferentes fontes e escalas (Bitencourt et al., 1997; Bitencourt e Pivello, 1998; Pivello et al. 1999). 3. GEOPROCESSAMENTO E A ECOLOGIA O Geoprocessamento é o conjunto de tecnologias de coleta, tratamento, manipulação e apresentação de informações espaciais georefenciadas. É também a área do conhecimento que utiliza técnicas matemáticas e computacionais para tratar os processos que ocorrem no espaço geográfico. É composto de vários sistemas: sistemas de digitalização; sistemas de conversão de dados; sistemas de modelagem digital de terreno; sistemas de processamento de imagens; e sistemas geográficos de informações. Tipos de dados em Geoprocessamento: a) Mapas temáticos: - Descrevem a distribuição espacial de um mesmo tema variando dentro de um certo intervalo: hipsométrico, clinográfico, pedológico, aptidão agrícola. b) Mapas cadastrais: - Descrevem os elementos do espaço geográfico que possuem outros atributos além de sua posição geográfica: lotes de uma cidade, nome do dono, valor venal, valor do IPTU - (banco de dados relacionado com polígonos). c) Redes: - Sistema de endereçamento 1-D (uma dimensão) colocado no espaço 2-D (duas dimensões: X e Y). Os atributos dos arcos incluem o sentido do fluxo e os atributos dos nós, sua impedância ou custo para percorrer. A topologia armazena informações sobre recursos que fluem entre localizações geográficas distintas. - (banco de dados relacionado com vetores: pontos e linhas) . d) Imagens de sensoriamento remoto geo-referenciadas – São matrizes, em que cada elemento de imagem (ou cela) tem um número digital proporcional à energia eletromagnética, refletida ou emitida pelos materiais contidos numa determinada área da superfície terrestre. e) Modelos numéricos do terreno ou MNT – imagens que representam de forma contínua grandezas espaciais do tipo altimetria e batimetria. É o modelo matemático que reproduz uma superfície real, agrupando amostras, de modo que todo o conjunto simule, de modo ideal, o comportamento da superfície original. O sistema é composto da posição geográfica (x e y) e da altitude (z). Apesar de ter três posições relativas (x; y; z), este sistema é dito como sendo 2,5D, pois não chega a ser um 3D (três dimensões) ideal e é mais que 2D (duas dimensões), que é o plano. 3.1 Sistemas de digitalização Consiste na transferência de informações cartográficas de mapas convencionais para o formato digital, por intermédio de mesa digitalizadora. O que se transfere são pontos, linhas e polígonos (áreas) de fontes cartográficas (cartas topográficas, hidrográficas) e temáticas (mapa de solo, geológico, de vegetação) bem como de decalques, limites de áreas e de classes, resultantes de fotointerpretação e de levantamentos de campo. Nesse processo, o ponto ganha ANÁLISE QUALITATIVA O processamento mais comum é o realce - aumento ou diminuição de contraste - conforme o caso. Estes procedimentos alteram o ND de forma irreversível, impedindo que esta imagem seja utilizada posteriormente em análises qualitativas. Um dos procedimentos mais freqüentes feito com imagens multiespectrais é a composição colorida. Estes procedimentos facilitam a interpretação computadorizada, faz as correções atmosféricas mínimas, além de melhorar o contraste. O procedimento consiste em combinar imagens de faixas espectrais produzindo uma imagem sintética com a combinação de cores que melhor agradar o intérprete. Com este procedimento, converte-se cada ND da imagem nos tons de uma das três cores primárias (vermelho = R, verde = G e azul = B) escolhidas. Se a imagem a ser convertida tiver resolução radiométrica de 8 bits, haverá 256 (ND de 0 a 255) tons da cor primária escolhida em cada um dos três canais: R G B Nova imagem Canal do Vermelho = 255, 0, 0 256 tons de R Canal do Verde = 0, 255, 0 256 tons de G Canal do Azul = 0, 0, 255 256 tons de B Analogamente, as cores secundárias, que são formadas de duas cores primárias, serão Cor resultante Cian = G + B = 0, 255, 255 Magenta = R + B = 255, 0, 255 Amarelo = R + G = 255, 255, 0 Preto = soma das secundárias = 0, 0, 0 Branco = soma das primárias = 255, 255, 255 As composições coloridas podem ser: a) Composição colorida imitando cor natural ou falsa-cor. Valendo-se das leis colorimétricas, atribui-se artificialmente uma das três cores primárias (azul, verde e vermelho) a cada uma das imagens espectrais de interesse. Se usarmos os sistema TM-Landsat e atribuirmos: Azul ao TM-2, Verde ao TM-3 e Vermelho ao TM-4, teremos uma nova imagem semelhante a uma fotografia infravermelho falsa-cor em que quanto mais denso o vermelho, mais densa é a vegetação viva. Se atribuirmos: Azul ao TM-2, Verde ao TM-4 e Vermelho ao TM-3, teremos uma imagem similar a uma fotografia colorida real, porém enfatizando as áreas vegetadas que ficaram ainda mais verdes. Usa-se também a composição colorida natural em que: Azul ao TM-3, Verde ao TM-4 e Vermelho ao TM-5. ANÁLISE QUANTITATIVA Um processamento é dito quantitativo quando resulta em uma imagem que pode ser mensurada de alguma maneira. As classificações transformam os NDs em classes que podem ter medidas as suas áreas e perímetros. a) Classificações de imagens Monoespectral - uma única faixa espectral Multiespectral – várias faixas espectrais - Critério de classificação estatístico ou determinístico - Automático ou supervisionado O principal objetivo desta operação é gerar mapas temáticos, além de agilizar a análise daquilo que, sem estes algoritmos, faria-se visualmente. Deste modo, por meios refinados ou grosseiros, reúnem-se pixels com assinaturas espectrais semelhantes em classes. b) Álgebra de imagens Não existem limites para álgebra de imagens, só precisa haver fundamentação. A álgebra mais comum com imagens de satélite resulta em combinações lineares ou não, de imagens não correlatas gerando índices. Os índices mais usados são os de vegetação, que relacionam basicamente as assinaturas espectrais do vermelho (R) e do infravermelho próximo (IVP). Em uma revisão feita em 1997, Thiam & Eastman identificaram 21 índices de vegetação. Além desses, 3 outros índices estão aparecendo na literatura, resultado de variações dos índices já consagrados, visando resolver as incertezas inerentes do sensoriamento remoto. Para mais informações sobre todos os índices de vegetação, leia o item “Fundamentação e Revisão dos Índice de Vegetação”. Existem muitos índices de vegetação, cada um adaptado a peculiaridades da vegetação (xerófita, ombrófita, em substrato árido, alagado ou argiloso). Estes índices, assim como todos os que vieram depois, são diretamente proporcionais a fitomassa foliar viva, segundo a premissa de que o parâmetro físico que caracteriza a fitomassa foliar é a clorofila e a estrutura do mesofilo. Conforme a literatura, o comportamento espectral da vegetação na faixa do vermelho é devido à clorofila, sendo que quanto mais houver deste pigmento, menos a vegetação reflete (menor o ND, a radiância e a reflectância). O comportamento espectral da vegetação na faixa do IVP é devido à estrutura foliar, sendo que, quanto mais folhas, mais a vegetação reflete nesta faixa. Desses antagonismos, desenvolveram-se inúmeros índices, explorando ora a diferença, ora a razão entre Vermelho e IVP. c) Rotação de imagens. A Análise de Principais Componentes – que busca o eixo de dispersão com a maior variância possível – resulta na obtenção de uma nova imagem separando o brilho do contraste. Com este procedimento, é possível fazer uma análise multiespectral (buscando uma assinatura espectral mais pura) ou multitemporal (buscando uma variação temporal de uma dada faixa espectral). Fundamentação e Revisão dos Índices de Vegetação Os índices de vegetação são modelos numéricos, lineares ou não, que guardam uma relação direta e satisfatória com a fitomassa foliar verde (Tucker, 1979; Gamon et al., 1995). As imagens índices de vegetação são derivadas de imagens resultantes das respostas espectrais nas faixas do vermelho e do infravermelho próximo. A resposta espectral da vegetação resulta basicamente da reflectância da cobertura vegetal que depende das propriedades estruturais e ópticas da vegetação e do solo (Myneni et al., 1995). Segundo Gates et al. (1965), a reflectância na faixa do vermelho (600-700 nm) reduz com o aumento do índice de área foliar, enquanto na faixa do infravermelho próximo (700-1100 nm) é diretamente proporcional ao aumento do índice de área foliar. Thiam e Eastman (1997) revisaram os índices de vegetação constantes da literatura e detectaram 21 índices compreendido em dois grupos principais. Um deles é baseado no contraste entre a resposta espectral padrão de vegetação, nas faixas do vermelho e infravermelho próximo, e o outro é baseado na distância entre a linha de vegetação e a linha do solo. Há também um terceiro grupo, baseado na transformação ortogonal de imagens multiespectrais. O primeiro grupo de índices de vegetação data de 1974 e são: RATIO (razão) IV = IVP/vermelho de Pearson & Miller (1972) e o NDVI (normalized difference vegetation index) NDVI = (IVP - R) / (IVP + R) de Rose et alii (1973), ambos com a proposta de reduzir os efeitos multiplicativos da resposta espectral nas duas faixas espectrais acima mencionadas. 3.4 Sistema modelagem digital do terreno Este sistema é responsável pela construção do modelo numérico do terreno (MNT), que resulta da digitalização de curvas de nível (mapas topográficos) ou de pontos altimétricos. A imagem MNT pode ter sua superfície analisada, com o auxílio de algoritmos apropriados, e gerar imagens temáticas do tipo: hipsométricas (classes de altitude), clinográficas (classes de declividade), de orientação de vertentes (classes segundo a rosa dos ventos) e de sombreamento (classes de sombra, segundo o azimute). Além dessas análises complexas acima mencionadas, permite também a reconstrução do ambiente físico em três dimensões. Estas informações ampliam sobremaneira o espectro de análise dos padrões estruturais e funcionais de ecossistemas, numa escala de tempo e de espaço. O MNT também tem sido apontado para melhorar informações obtidas por sensoriamento. Justice et al. (1980) somou imagem índice de vegetação com imagem MNT minimizando o efeito da topografia nas classes de vegetação. 3.5 Sistemas de Informações Geográficas ou SIG Nos SIGs clássicos, fazia-se a sobreposição de decalques sobre mesa de luz, unindo-se todas as classes dos dois decalques. Ou seja, fazia-se uma simples UNIÃO de classes. Em ambientes computacionais, onde cada decalque é uma imagem, os SIGs ficaram mais ecléticos, pois outras operações puderam ser acrescentadas. Assim, além da união, que é o mesmo que soma, tornaram-se possíveis todas as operações algébricas de uma imagem com um escalar ou de uma imagem com outra imagem. A multiplicação, por exemplo, revolucionou as análises de imagens pois, sendo uma matriz, a sua multiplicação por outra imagem resulta em uma imagem INTERSECÇÃO, onde são identificadas somente áreas com as classes contidas tanto em uma como em outra imagem. Os SIGs computacionais constituem-se no meio mais eficiente que se conhece, capazes de combinar dados espaciais oriundos de diferentes fontes e escalas, a fim de descrever e analisar interações, fazer previsões com modelos e dar suporte para tomada de decisões. Para tanto, estes dados devem estar georeferenciados, no mesmo sistema de referência. Os SIGs podem ser vetoriais ou matriciais e em ambos os casos, apresentam três domínios de aplicação: - banco de dados relacional - ferramenta analítica - tomada de decisão Como banco relacional – quando áreas, linhas ou pontos são relacionados com tabelas onde há informações sobre as respectivas áreas, linhas ou pontos. Como ferramenta analítica – quando permite a aplicação de expressões lógicas e matemáticas entre mapas: a) Expressões matemáticas: + - / * log sin cos tan exp rad b) Expressões lógicas : AND (interseção lógica), OR (união lógica), NOT e XOR: - Lógica Booleana: onde falso = 0 e verdadeiro = 1 – apresenta limites abruptos. É o modo mais simples e mais conhecido de operar estes mapas (0 ou 1 - binário). - Lógica Fuzzy: onde totalmente falso = 0 e totalmente verdadeiro = 1 – apresenta limite gradual (de 0 a 1 - real). Como suporte para tomada de decisão, quatro pontos devem ser satisfeitos: - Identificar qual a decisão a ser tomada ; - Definir os critérios (fatores e limites) ; - Definir as regras de decisão ; e - Estabelecer os objetivos. Os modelos empíricos são: Modelos prescritivos – que envolvem a aplicação de mapas obtidos por critérios já consagrados, podendo levar em consideração não apenas os critérios de ordem prática, mas também aspectos científicos, econômicos e sociais. Ex.: escolher uma área para colocar uma família de macacos em extinção, que permita sua reprodução. - Mapas com diagnósticos dos recursos bióticos e abióticos - Mapas com as exigências ecológicas desse macaco Modelos prognósticos – além dos mapas acima, utilizam-se também mapas de variáveis potenciais. Ex.: o mesmo, mas com complementos hipotéticos - mapas diagnósticos; - mapas das exigências ecológicas; - mapas dos seus predadores. Porém, quando os critérios são combinados sob a influência dos objetivos, estes deixam de ser modelos e passam a ser chamados de avaliações (empírico e subjetivo), que podem ser Multi-Critério ou Multi-Objetivo. Multi-critério – para atingir um objetivo, vários critérios são avaliados - Combinação linear ponderada (cada fator é multiplicado por um peso e então somado = índice de adequação final); - Análise de concordância/discordância – não é computacional. Multi-objetivo – para tomar a melhor decisão, vários objetivos são avaliados - Objetivos complementares – hierarquizar; - Objetivos conflitantes – priorizar - Incerteza e risco. Quando a incerteza está presente, as regras de decisão precisam incorporar modificações que transformem as decisões rígidas em decisões suaves. Para tanto, usa-se probabilidade Bayesiana, teoria de conjuntos Fuzzy, teoria de Dempster-Shafer, por exemplo. 4. CARTOGRAFIA AMBIENTAL Cartografia = ciência de compor CARTAS ou MAPAS Carta do grego Mapa do latim (mappa) O projeto de normas de convenções cartográficas P-NB-63/1961 da ABNT diz que: a) carta é a representação dos aspectos naturais e artificiais da Terra destinados à atividade humana; e b) mapa é a representação dos aspectos geográficos naturais e artificiais da Terra. Hoje, contudo, carta e mapa são usados como sinônimos. No Quadro 5 aparece um breve relado da história os mapas. Cartas ou Mapas = são representações em escala, sobre um plano, das estruturas naturais e artificiais que se encontram na superfície da Terra. Quadro 5 História dos mapas - 2300 a. C. – Babilônia – mapas sobre tábuas de argila - 300 a. C. – Grécia – primeiros mapas de toda a Terra – Anaximandro de Informações obtidas através de Sensoriamento remoto Através desta fonte de informações, o ecólogo pode compor mapas temáticos de diversos tipos: da cobertura vegetal, da cobertura de água, da qualidade da água, da estado da vegetação das áreas edificadas, das áreas desmatadas, das áreas com deslizamentos, das áreas queimadas, das áreas recuperadas, e do uso e ocupação da terra, os limites são as resoluções: espacial, espectral, radiométrica e temporal de todos os dados, não esquecendo, contudo, da qualidade dos dados em si. Para interpretar corretamente estas informações, é necessário: i) conhecer o objeto de estudo, ii) saber como interage com a radiação eletromagnética, iii) qual o seu comportamento espectral, iv) quais os fatores limitantes, e v) conhecer as técnicas de geoprocessamento de imagens Transferência de dados contidos na literatura As informações contidas na literatura são quase sempre mapas temáticos ou cartográficos. A transferências destes dados para o formato digital ampliaram sobremaneira o uso de dados cartográficos em ecologia. Digitalização vetorial ou matricial. Em ambos os casos, há limitações e dificuldades. A primeira é feita usando-se uma mesa digitalizadora onde a ponta ou o centro de um “mouse” isola pontos, cuja posição geográfica é transferida para uma superfície previamente definida. A segunda é feita usando um sistema de varredura que transfere cada pixel previamente definido em função da resolução do sistema e da memória disponíveis. Na digitalização vetorial, o usuário tem pleno controle sobre a qualidade da transferência e pode introduzir as correções sempre que julgar necessário. Além disso, os arquivos vetoriais são muitos pequenos e de fácil edição. Na digitalização matricial, o usuário não tem como introduzir correções, sendo necessário uma posterior vetorização para que se possa fazer as edições necessárias. Nos casos em que o mapa a ser transferido para o formato digital for unitemático, este procedimento torna-se viável. Contudo, nos casos de mapas topográficos, é preciso vetorizar a imagem com as curvas de nível para classificá- las segundo sua cota. Sem esta etapa não é possível gerar o MNT. Um outro inconveniente é o fato de a matricialização resultar em arquivos muito grandes para garantir uma resolução satisfatória. Em ambos os casos, é importante definir o nível de precisão aceitável e lembrar que a qualidade de um dado depende da qualidade da fonte e do modo como esta informação é transferida. A precisão aceitável depende da relação tamanho do alvo e do pixel, no caso do sistema matricial. No sistema vetorial, a precisão depende do número de pontos coletados para formar a linha que não pode ser nem demais e nem de menos. O produto digitalizado pode ser levado para processamento, onde é transformado em imagem e será analisado em ambiente de SIG matricial ou poderá ser analisado diretamente em ambiente de SIG vetorial. Transferência de dados de campo As informações de campo são transferidas para o formato digital através dos pontos de localização registrados por GPS e lidos por programas de geoprocessamento. Estes pontos podem ser unidos gerando linhas ou polígonos, permitindo, assim, medir perímetro, área e distância de informações de interesse. Informações obtidas do MNT As informações altimétricas podem ser processadas de modo a simular algumas condições abióticas. A transferência de dados é feita pela digitalização das curvas de nível, com a identificação do valor das cotas ou pela digitalização de pontos altimétricos. Com o auxílio de algoritmos apropriados, estas curvas ou pontos são integrados a uma rede que simula a superfície terrestre. Esta superfície pode ser: i) usada como diagrama de bloco (3D) ou ii) pode gerar mapas temáticos de altitude (ou hipsométrico), de declividade (ou enclinográfico) e de orientação de vertentes. Estas imagens podem ser classificadas em intervalos de interesse e serem relacionadas, em ambiente de SIG (matricial), a outros mapas temáticos oriundos de outras fontes. 5. SENSORIAMENTO REMOTO COM MICROONDAS Inicialmente, o sensoriamento remoto com microondas era feito com plataforma aérea, uma fonte de energia eletromagnética, uma antena na forma de calha e um sistema imageador. Com o avançar da tecnologia, surgiram as plataformas orbitais e as antenas de abertura sintética, melhorando sobremaneira a resolução espacial e diminuindo as limitações daquelas regiões onde a cobertura de nuvens é freqüente. A possibilidade de polarizar as ondas enviadas e recebidas ampliou ainda mais o espectro de observação da terra, pois os diferentes alvos interagem diferentemente com as diferentes polarizações. Apesar dos avanços tecnológicos, o conhecimento básico pouco se alterou nestas décadas, já que a limitação do sistema decorre da relação entre resolução de azimute e tamanho da antena. 5.1.CARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS OU ONDAS DE RÁDIO No sensoriamento remoto destas faixas o comprimento de onda ou λ varia de 1 mm até 1 metro e atravessa neblina, chuvas leves e neve, bem como nuvens e fumaça, sofrendo pouca ou nenhuma interferência. Além das diferenças acima mencionadas, o sensoriamento remoto nestas faixas possibilita imageamento em qualquer hora do dia e até mesmo da noite, no caso do sistema ativo (possui sua própria fonte de energia). Esta independência em relação às condições atmosféricas e de iluminação vêm tornando este produto reconhecidamente útil, como veremos mais adiante. O princípio se baseia na ecolocalização: um sinal conhecido é transmitido e o seu eco ou retorno é esperado. O tempo que leva para um eco retornar permite calcular a distância do alvo que causou o eco; a intensidade da energia de retorno permite calcular qual é o alvo. Este princípio é o mesmo usado nos sonares, na sismologia e no ultrasom. Alguns animais (morcegos, mamíferos marinhos, alguns pássaros e alguns insectívoros) usam também a localização por meio do eco. Com os avanços tecnológicos, passou a ser possível imagear o terreno utilizando o sinal de retorno, o que foi fundamental nos grandes mapeamentos já realizados no mundo. O conhecido RADAR - RAdio Detection And Ranging - utiliza ondas de rádio para detectar objetos à distância e é o mesmo sistema utilizado para detecção de objetos em velocidade. No Quadro 6 são apresentadas as faixas mais utilizadas. Existem outros tipos de sistemas com outras aplicações: Radar PPI (Plan Position Indicator), utilizado para detectar a distância radial de objetos; SLAR (Side Looking Airborne Radar), que faz o imageamento lateral e longitudinal com radar, em faixas contínuas, a bordo de aviões. O Projeto RADAM Brasil fez o maior mapeamento já realizado no mundo (do Brasil todo) utilizando o sistema SLAR. A interação entre energia e matéria é devida à constante dielétrica e à rugosidade do alvo. Uma antena ou calha alterna o papel de emissor e o de receptor. O que determina o retorno ou não dos raios de microondas são as características geométricas e as características elétricas, isoladas ou em conjunto: Características geométricas: rugosidade da superfície – relevo, por exemplo. Características elétricas: reflectividade e condutividade dos materiais que compõem a superfície, representada pela constante dielétrica (ε). A maior parte dos materiais têm ε entre 3 e 8, quando secos. A água tem ε semelhante a 80. Assim, a presença de umidade, tanto do solo como na vegetação, pode significar aumento na refletividade. A vegetação é bom refletor, assim como os metais. RESPOSTA DO SOLO: Porque a ε da água é cerca de 10 vezes maior que a do solo seco, é possível detectar a presença de umidade a poucos centímetros da superfície. A faixa L é particularmente boa quando o solo está muito seco. RESPOSTA DA VEGETAÇÃO: As microondas interagem com o dossel de conformidade com seus componentes (folhas, galhos, troncos). Os λ menores interagem com as camadas superficiais da vegetação e, os mais longos, com as camadas inferiores da vegetação, podendo até interagir com o solo ou mesmo com o subsolo. Na faixa do espectro óptico, a interação ocorre pela ressonância molecular na superfície de contato. Quando o λ se aproxima da metade do tamanho dos componentes da planta, o volume de espalhamento é forte: se o dossel for denso, verifica-se um retroespalhamento forte partindo da vegetação. Em geral, λ menores (de 2 a 6 cm) são bons para sensoriar plantações herbáceas e folhas de árvores. Os λ maiores (de 10 a 30 cm) são bons para sensoriar troncos. Com relação à umidade, quanto mais úmida a vegetação, mais reflete microondas. RESPOSTA DA ÁGUA E DO GELO: Quando a superfície da água está completamente LISA, tem-se um refletor especular. A faixa X é boa para detectar gelo e a faixa L é boa para mostrar a extensão do gelo. POLARIZAÇÃO: A polarização amplifica sobremaneira a aplicação do radar. Nesses sistemas ativos, existe a possibilidade de as ondas serem polarizadas. Esta polarização (horizontal ou vertical) amplia o espectro de observação: HH (vai e volta horizontal) ou VV (vai e volta vertical) penetram a vegetação, mais que VH (vai vertical e volta horizontal) ou HV (vai horizontal e volta vertical). Quando se deseja informações sobre objetos orientados verticalmente no terreno (tronco de árvores), utiliza-se polarização VV (vai vertical e volta vertical). Quando estamos interessados em informações sobre a rugosidade da superfície (do dossel), podemos utilizar polarização HH (vai horizontal e volta horizontal). Há também a possibilidade de a polarização ser invertida (HV e VH), o que deve aumentar o retroespalhamento. Variações na reflexão do sinal de radar decorrem da relação entre λ e diferenças geométricas na superfície do objeto. Variações na altura da superfície em relação ao λ definem se a superfície do objeto é lisa, intermediária ou rugosa. Por exemplo, sinais da banda X ( λ entre 2,4 e 3,75 cm) não penetram completamente o dossel e interagem com superfícies com estruturas em torno de 3 cm. Já os sinais na banda L ( λ entre 15 e 30 cm) penetram e interagem com os troncos das árvores. Aplicações de microondas mais próximas da ecologia: - avaliação do potencial de recursos hídricos superficiais e subterrâneos - monitorar projetos de irrigação - levantamento planimétrico - levantamento altimétrico - mapear desmatamento - estimar biomassa verde - identificação de pragas na vegetação - mapeamento de gelo e neve - detecção de umidade do solo - interpretação de alguns parâmetros hidrológicos - identificação de áreas mineradas - planejamento e monitoramento ambiental - levantamento batimétrico - algumas poluições em corpos d’água - salinização de solos INTERAÇÃO: A energia é transmitida em pulsos muito pequenos, num período de tempo “t” da ordem de micro segundos (10 –6 segundos). A propagação de um pulso pode ser representada por frentes de onda a cada incremento de tempo sucessivo. Após um certo intervalo de “t” o pulso alcança o alvo e uma onda refletida atinge a antena e é registrada (tempo de emissão e tempo de recepção é comparado). A imagem é formada pela diferença de respostas de cada alvo (as árvores refletem menos que a casa, por exemplo). Pela altura do sensor, sabe-se quantos pulsos ou frentes de onda há. As imagens são criadas da seguinte maneira: - À medida que a plataforma avança, a antena é constantemente reposicionada na direção do vôo, a uma velocidade constante. - A antena alterna do modo transmissor para o modo receptor por um sincronizador. - Cada pulso transmitido retorna dos alvos. Este eco é recebido pela mesma antena e é processado para produzir um sinal de vídeo de amplitude/tempo. - O sinal modula a intensidade de um tubo de raios catódicos de linha única expondo um filme a cada linha de imagem. Cada linha na imagem produzida é a representação tonal do vigor do sinal retornado para cada pulso de radar. - O filme é avançado a uma velocidade proporcional à velocidade da plataforma. - Desta maneira, as respostas combinadas de muitos pulsos resultam num produto 2D. MICROONDAS E A ECOLOGIA: A década de 90 foi marcada pelo crescimento das pesquisas dos SARs no estudo de processos ecológicos. Os que mais se destacaram foram os estudos dos vários sistemas para estimar a fitomassa florestal. As faixas de radar de mais baixa freqüência (P e L) mostraram-se eficientes em detectar inundações sob florestas, enquanto as de mais alta freqüência (C) mostraram-se mais eficientes em detectar áreas inundadas dominadas pelo estrato herbáceo. Durante esta década, vários sistemas de radar orbital foram testados, explorando a multi-freqüência e a multi-polarização. Apesar das dificuldades de utilização destes produtos, todos são unânimes na importância dos SARs, principalmente pelo fato de atravessarem cobertura de nuvens e de possuírem sua própria fonte de radiação. Em vista de as microondas interagirem de forma diferente do que o observado nas radiações ópticas, outras características podem ser detectadas com os SARs das várias faixas. A sua sensibilidade em relação a água, por exemplo, permite distinguir vegetação ripária de floresta de planalto, o que é muito difícil com os sistemas óptico (de ultravioleta até infravermelho médio). Kasischke et al. (1997) apresenta uma tabela de áreas de aplicação por sistemas sensores disponíveis e conclui que: a) para classificar padrões de cobertura, as análises multibanda são melhores que banda única; b) imagens de radar têm capacidade para monitorar biomassa de floresta com as bandas P e L com polarização cruzada (HV ou VH); c) as bandas com polarização única (HH ou VV) são boas para detectar inundações debaixo do dossel; e d) a banda C é melhor para detectar campos inundados.