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O comportamento espectral da vegetação é dependente da escala de trabalho utilizada, quer seja parte de uma planta, uma planta ou um conjunto de plantas (Roberts et al., 2004). No entanto, devido à fotossíntese – processo fundamental e inerente à vida de uma planta e que ocorre nos cloroplastos das folhas – as características espectrais de folhas são essenciais para o estudo de uma vegetação fotossinteticamente ativa em qualquer escala de trabalho (Ponzoni & Shimabukuro, 2007).

Em uma folha, a absorção da energia eletromagnética incidente por clorofilas e outros pigmentos foliares no intervalo espectral do visível (VIS, entre 0,4–0,7 µm) e a grande reflectância na região do infravermelho próximo (NIR, 0,7–1,3 µm) – função principalmente da estrutura interna e espalhamento da radiação – constituem uma configuração espectral que as diferem de qualquer outro alvo na superfície terrestre. Nos intervalos espectrais do NIR e do infravermelho ondas curtas (SWIR, 1,4–2,5 µm), as ligações O-H – da água e de compostos bioquímicos, como lignina e celulose – geram diversas feições de absorção (Figura 2.1). De forma mais detalhada, a reflectância de folhas no NIR é descrita como resultado do menor ou maior espalhamento de fótons produzido pelas interfaces parede celular-espaços gasosos – função da espessura das paredes e do teor de água – no

mesófilo esponjoso (Wooley, 1971; Gausman, 1985; Grant, 1987) e, externamente, pela espessura da cutícula e presença de tricomas (Billings e Morris, 1951; Gausman et al., 1972; Grant, 1987).

Curran (1989) fez uma revisão sobre espectroscopia foliar, citando detalhadas medidas espectrais realizadas por pesquisadores do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos, nas décadas de 60 e 70. Foram identificadas cinco grandes feições de absorção associadas à transição de elétrons em pigmentos no VIS e à flexão e alongamento das ligações O-H em água e outros compostos químicos no infravermelho, como citado anteriormente. Essas feições dominantes encobrem 42 outras, de menor expressão, associadas a compostos orgânicos como celulose, lignina, proteínas, ácidos graxos, açúcares e amido (Curran, 1989). Nas últimas décadas, diversas relações bioquímico- espectrais têm sido realizadas através de análises de regressão, índices espectrais ou análises de profundidade de feições de absorção (p.ex., Chappelle et al., 1992; Blackburn, 1998a, 1998b e 2007; Asner, 1998; Kokaly e Clark, 1999; Curran et al., 2001; Sims e Gamon, 2002; Gitelson e Merzlyak, 2003; Gitelson et al., 2006; Gitelson, 2012).

Em folhas verdes, feições de absorção máxima por clorofila a são observadas em 0,58, 0,63 e 0,68 µm e clorofila b em 0,46, 0,635 e 0,65 µm (Chappelle et al., 1992; Blackburn, 1998a), por carotenoides em 0,47 e 0,50 µm (Chappelle et al., 1992; Blackburn, 1998a) e entre 0,50 e 0,52 µm (Gitelson et al., 2006; Gitelson, 2012) e por antocianina em 0,53 e entre 0,54 e 0,56 µm (Gitelson et al., 2006; Gitelson et al., 2009, Gitelson, 2012). Os componentes estruturais carboidratados, como celulose, hemicelulose e lignina, são usualmente estudados em folhas desidratadas, quando o obscurecimento de suas feições de absorção pela água é atenuado (p.ex., Kokaly e Clark, 1999; Jacquemoud et al., 2006). Contudo, essas feições são geralmente sobrepostas às observadas a outros compostos não fotossintéticos como nitrogênio, proteínas e açúcares (Curran, 1989; Kokaly e Clark, 1999; Kokaly, 2009). Feições isoladas de absorção por celulose foram descritas por Curran (1989) a 1,82 e 2,34 µm, e por lignina a 1,12 e 1,42 µm.

Figura 2.1. Comportamento espectral médio de folhas de Dendrocalamus sp. (bambú, em verde) e

Pinus elliottii (pinheiro, em magenta) e indicação das regiões onde ocorrem feições de absorção por pigmentos foliares, compostos bioquímicos e água, bem como de espalhamento da energia devido à estrutura de copa e/ou folha (adaptado de Kokaly et al., 2003).

Diferentemente do comportamento espectral de folhas isoladas, que apresentam Fator de Reflectância Direcional-Hemisférico, ao se analisar o dossel florestal ou a copa de uma árvore – alvos anisotrópicos –, a reflectância da energia incidida não se apresentará como sobre uma superfície de fato Lambertiana, que reflete em todas as direções igualmente. As diferenças de iluminação (ângulos azimutal e zenital solar) e de visada (posição do sensor, no nadir ou off-nadir) implicam uma Reflectância Bidirecional (Ponzoni & Shimabukuro, 2007; Jensen, 2009). Além disso, a energia incidente será dividida entre aquela que refletirá, após sua interação com a superfície imediata, e aquela que será transmitida e retransmitida entre camadas sucessivas de folhas antes de seu retorno à atmosfera. De acordo com Ponzoni & Shimabukuro (2007), esse processo de espalhamento múltiplo, que ocorre no interior do dossel/copa, promove o fenômeno de caráter assintótico de diminuição da reflectância no VIS e de aumento no NIR, conforme o aumento das camadas de folhas. Dessa forma, dois parâmetros biofísicos são considerados essenciais no estudo da vegetação por sensoriamento remoto em escala de dossel (Ponzoni & Shimabukuro, 2007; Jensen, 2009): 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,4 0,7 1,0 1,3 1,6 1,9 2,2 2,5 R ef le ct ân ci a Comprimento de onda (µm) Proteínas Lignina Celulose Água Água e estrutura de folha e copa Clorofilas e outros pigmentos

• Índice de Área F terreno sob a copa/dossel d

• Distribuição Ang folhas de uma copa, ou à a o dia conforme a iluminação

Assim, as variaçõe podem ser descritas como mistura espectral (Adams fotossintetizantes (com c

photosynthetic vegetation) dossel/copa, como ramos, como resultado da estrutu anisotropia da superfície, (Figura 2.2).

Figura 2.2. Espectros puros fotossintética (NPV), solo e exclusão das regiões espectra

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 530 830 R ef le ct ân ci a

Foliar (IAF), que se refere à quantidade de ár l do alvo estudado;

ngular das folhas (DAF), que se refere à dis angulação média de um dossel. Essa medid ção solar.

ões em reflectância de um pixel pertencente mo uma mistura de até quatro frações espec

s et al., 1993): GV (green vegetation) ref cloroplastos ativos), como as folhas

) representa o material vegetal não fotossinté s, troncos e folhas secas; solo é a fração de s utura do dossel/copa estudado; e sombra, fu

bem como dos ângulos de iluminação sola

os de vegetação verde – fotossinteticamente ativ e sombra, extraídos de imagens hiperespectrais trais de baixa razão sinal-ruído.

1130 1430 1730

Comprimento de onda (nm)

área foliar, por área de

disposição angular das ida pode variar durante

te a dado dossel/copa pectrais, em análise de refere-se aos materiais verdes; NPV (non- intético presente em um

solo presente no pixel, função da estrutura e lar e visada do sensor

tiva (GV), vegetação não ais ProSpecTIR-VS, com

2030 2330

GV NPV solo sombra

2.3. Self-Organizing Maps e técnicas complementares