Influência da geometria de aquisição sobre índices de vegetação e estimativas de IAF com dados MODIS, Hyperion e simulações PROSAIL para a soja / Influence of data acquisition geometry on vegetation indices and LAI estimates with modis, hyperion and PROSAIL simulations for soybean

AUTOR(ES)
FONTE

IBICT - Instituto Brasileiro de Informação em Ciência e Tecnologia

DATA DE PUBLICAÇÃO

14/03/2011

RESUMO

Para reduzir os efeitos de cobertura de nuvens sobre a aquisição de imagens ópticas, a resolução temporal dos satélites tem sido melhorada para o acompanhamento adequado dos cultivos agrícolas com o uso de sensores de ampla faixa de imageamento, como o \textit{Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer} (MODIS). O MODIS adquire dados sobre um mesmo alvo agrícola com direções de espalhamento e ângulos de visada distintos em um curto espaço de tempo. A visada fora do nadir fornece informações importantes para a geração de produtos usando modelos físicos, mas também introduz variabilidade na resposta espectral dos cultivos quando imagens diárias são analisadas. Mesmo o sensor hiperespectral Hyperion, que imageia uma área relativamente pequena (7,7 x 50 km) da superfície terrestre, pode ter seu tempo de revisita melhorado por apontamento lateral. Desta forma, o estudo de alvos agrícolas com sensores como o MODIS deve necessariamente considerar os efeitos direcionais (retroespalhamento e espalhamento frontal) resultantes da geometria de iluminação e de visada. O objetivo desta pesquisa foi avaliar as implicações dos efeitos direcionais, considerando diferentes ângulos de visada, sobre a reflectância de dosséis de soja em distintos estádios de desenvolvimento, com dados do sensor multiespectral MODIS, hiperespectral Hyperion e simulações da reflectância com o modelo de transferência radiativa PROSAIL. Selecionou-se uma grande área de soja localizada no município de Querência (MT). Foram avaliados dois anos-safra: 2004-2005 e 2005-2006. Inicialmente, em caráter exploratório, o modelo PROSAIL foi utilizado para avaliar a influência de diferentes parâmetros dos dosséis de soja (p.ex., índice de área foliar (IAF)) e de geometria de aquisição de dados (p.ex., ângulo zenital de visada (AZV); ângulo zenital solar (AZS); ângulo azimutal relativo (AAR)) sobre a reflectância e índices de vegetação. Os demais parâmetros do modelo foram mantidos constantes. Com base na análise de imagens MODIS diárias (produto MOD09), o impacto dos efeitos direcionais sobre os espectros de reflectância de diferentes variedades da soja foi avaliado em função do estádio de desenvolvimento da cultura. Na sequência, a dependência dos índices de vegetação (\textit{Normalized Difference Vegetation Index} - NDVI; \textit{Enhanced Vegetation Index} - EVI; modified \textit{Normalized Difference Water Index} - NDWI) dos efeitos direcionais foi avaliada. Foi utilizado o teste estatístico não paramétrico de Wilcoxon e uma normalização direcional entre índices de vegetação, determinados para as direções do retroespalhamento e espalhamento frontal, para identificar os índices de vegetação menos afetados pelo AZV. Por fim, foi feita a avaliação da influência dos efeitos direcionais sobre as estimativas de IAF derivadas de modelos empíricos, baseados na relação entre NDVI e IAF. Os resultados das simulações no PROSAIL mostraram que a reflectância na direção do retroespalhamento (predominância de componentes iluminados do dossel sendo vistos pelo sensor) foi maior do que a reflectância da direção do espalhamento frontal (predominância de sombra). A avaliação dos índices de vegetação mostrou que, mesmo com o aumento do IAF, os efeitos direcionais estiveram presentes. A comparação entre os espectros de reflectância das simulações no PROSAIL e os espectros reais do MODIS mostrou que o PROSAIL subestimou a magnitude dos efeitos direcionais. Contudo, à medida que o IAF aumentou, a semelhança entre ambos os espectros de reflectância reais e simulados foi maior. Com base nas imagens de reflectância diárias do MODIS, verificou-se que o AZV pode gerar diferenças de até 20\% na reflectância da banda do infravermelho próximo (IVP). Quando o dossel da soja fechou, a reflectância foi menos influenciada pelo AZV do MODIS. Resultados da avaliação dos índices de vegetação mostraram que o NDVI e o \textit{Greenness Normalized Difference Vegetation Index} (GNDVI) foram menos sensíveis aos efeitos direcionais do que os demais índices. Por outro lado, o EVI e os índices que exploram a relação entre o IVP e o infravermelho de ondas curtas (NDWI$_{1640}$ e NDWI$_{2120}$) apresentaram uma maior dependência do AZV do MODIS. O NDVI obtido da direção do espalhamento frontal foi sempre superior ao derivado da imagem de retroespalhamento, mas o contrário foi observado para o EVI. Esse resultado está associado às maiores dependências do NDVI e EVI das bandas do vermelho e do IVP, respectivamente. O "Algoritmo Principal" (modelo de transferência radiativa), utilizado na geração do produto IAF (MOD15A2), foi gradualmente substituído pelo "Algoritmo Backup" (modelo empírico) com o desenvolvimento fenológico da soja, período que é coincidente com a frequência máxima de cobertura de nuvens. As estimativas de IAF dos modelos empíricos, considerando um mesmo estádio fenológico da soja e pares de imagens MODIS adquiridas em dias consecutivos, mas com ângulos zenitais de visada opostos, apresentaram maiores valores de IAF na direção do espalhamento frontal do que na de retroespalhamento. As maiores diferenças ocorreram para a faixa de NDVI entre 0,70 e 0,85 (faixa crítica). Os resultados mostraram diferenças de IAF de até 3,2 quando um modelo empírico global foi utilizado, que foram reduzidas para valores de até 1,5 quando um modelo empírico local foi utilizado. Decorrentes de fatores como cobertura de nuvens e geometria de visada, recomendam-se cuidados na utilização dos produtos MODIS e de suas imagens diárias para o estudo da soja, apesar da alta resolução temporal deste sensor.

ASSUNTO(S)

sensoriamento remoto simulações transferência radiativa efeitos direcionais reflectância remote sensing simulations radiative transfer directional effects reflectance

ACESSO AO ARTIGO

Documentos Relacionados