%0 Thesis
%4 dpi.inpe.br/lise/2003/01.16.08.47
%2 dpi.inpe.br/lise/2003/01.16.08.47.21
%F 9944
%T Utilização da reflectância espectral para a estimativa de pigmentos fotossintéticos em dosséis de soja [Gycine Max (.L), Merril]
%J Soybean canopy [Glycine max (L.), Merril] photosynthetic pigments estimation by measns of spectral reflectance
%D 2002
%8 2002-03-27
%9 Tese (Doutorado em Sensoriamento Remoto)
%P 173
%A Ferri, Clotilde Pinheiro,
%E Ponzoni, Flávio Jorge (presidente),
%E Formaggio, Antônio Roberto (orientador),
%E Galvão, Lênio Soares,
%E Schiavinato, Marlene Aparecida,
%E Souza Filho, Carlos Roberto de,
%E Demattê, José Alexandre Melo,
%I Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
%C São José dos Campos
%K agronomia, pigmentos, fotossíntese, reflectância espectral, dosséis, reflectância, resolução espectral, clorofila, soja, pigments, photosynthesis, spectral reflectance, canopies (vegetation), reflectance, spectral resolution, chlorophylls, soybeans.
%X Os pigmentos fotossintéticos são essenciais para o desenvolvimento das plantas, pois são responsáveis pela captura da energia solar incidente usada na fotossíntese. Com o desenvolvimento do sensoriamento remoto hiperespectral, tem-se aberto a possibilidade de quantificar estes pigmentos individualmente em grandes extensões de lavouras agrícolas e estas informações auxiliam na determinação do estado fisiológico da vegetação, na discriminação de espécies e na estimativa da produtividade. Uma das maneiras de utilizar os dados de sensores hiperespectrais na determinação da concentração de pigmentos, é pelo uso de índices de reflectância espectral que utilizam bandas espectrais estreitas na forma de soma, razão ou multiplicação. Assim, com este trabalho, buscou-se fornecer bases para a construção de conhecimentos na área de sensoriamento remoto hiperespectral e suas relações com culturas agrícolas. Como hipótese de trabalho, propõe-se que é possível, usando sensoriamento remoto de alta resolução espectral, estimar pigmentos fotossintéticos de dosséis vegetais agrícolas, sendo necessário levar em conta as influências de solos espectralmente distintos. A presente pesquisa sugere também que existem relações significativas entre reflectância espectral e parâmetros agronômicos de uma cultura agrícola, tendo como objetivos: (a) avaliar as relações entre componentes vegetais da cultura da soja e resposta espectral através dos índices espectrais: R750/R700, R750/R550, Ratio Analysis of Reflectance Spectra (RARS), Pigment Specific Simple Ratio (PSSR)e Pigment Specific Normalized Difference (PSND); e (b) analisar a influência de dois solos espectralmente diferentes no comportamento espectral dessa cultura. Para testar a hipótese estabelecida e atingir os objetivos propostos, a presente pesquisa foi realizada por método experimental, em condições de casa de vegetação, utilizando-se espectroradiômetros de alta resolução, com a cultura da soja [Glycine max (L.), Merril] tendo sido conduzida e monitorada espectralmente ao longo do seu ciclo fenológico. Assim, em função dos procedimentos utilizados e das análises realizadas, foi possível chegar a algumas conclusões e recomendações, verificando que (a) as plantas de soja tiveram um desenvolvimento considerado normal mesmo tendo sido cultivadas em condições de casa de vegetação, tendo apresentado um sistema assimilatório suficiente e eficiente para a produção e acúmulo de matéria seca; (b) os solos usados, mesmo tendo sido dois extremos espectrais (o primeiro com características de baixa reflectância e o segundo com alta reflectância não influenciaram nas respostas espectrais dos dosséis de soja na maior parte do seu ciclo fenológico; (c) a partir da fase fenológica V3, da cultura as respostas espectrais já começaram a ser de vegetação, tendo iniciado então a manifestação de relações entre as respostas espectrais e a concentração de pigmentos, confirmando a validade de se estudar estas relações para posteriores determinações do estádio fenológico e de outras características de vigor, sanidade e produtividade da cultura por imagens hiperespectrais; (d) todos os espectros coletados apresentaram maior reflectância no infravermelho próximo, em torno de 740 nm; (e) a posição da borda vermelha situou-se em torno de 700 nm; (f) os espectros apresentaram curvas características de acordo com a fase de desenvolvimento da cultura da soja, tendo influência do solo de fundo nas fases iniciais e finais da cultura; (g) as posições do comprimento de onda equivalente ao valor mínimo de reflectância no vermelho (Vmin) e do ponto de inflexão (PI) da curva apresentaram boas relações com o conteúdo de pigmentos, tendo o Vmin diminuído com o aumento da concentração de Clorofila a e o PI aumentado com o aumento da concentração de Clorofila total; (h) as razões R750/R550 e R750/R700 mostraram ser bons índices para a determinação de Clorofila a e de Clorofila total, e estes índices, quando comparados com o NDVI (um dos índices espectrais de banda larga mais usados em sensoriamento remoto da vegetação), mostraram ser mais eficientes; (i) a análise dos três índices de bandas estreitas, o RARS, o PSND e o PSSR, para a determinação de Clorofila a e b e Carotenóides, mostraram que o melhor índice foi o PSSR; (j) o índice RARS não mostrou boas relações quando os dados de todo o ciclo fenológico foram usados; porém, apresentou bons resultados quando se avaliou a cultura em fases bem delimitadas, como a vegetativa e a reprodutiva separadamente, para a determinação de Clorofila a e b. Para a determinação de Carotenóides, este índice não foi eficiente; (k) o índice PSND também apresentou ter relação com o conteúdo de Clorofila a e b e nenhuma relação com o conteúdo de Carotenóides; (l) somente o índice PSSR foi um bom estimador da concentração de pigmentos nas plantas, em nível de dossel, sendo que este índice também não apresentou bons resultados para estimar a concentração de Carotenóides. Assim, com o presente trabalho fica comprovado que é possível estimar pigmentos fotossintéticos através de Sensoriamento Remoto Hiperespectral em nível de dossel, através dos índices avaliados e de outros que podem ser gerados. Trabalhos devem ser realizados com o propósito de se avaliar estes e outros índices em nível de dossel, tanto em laboratório como em condições de campo, usando espectroradiômetros e imagens hiperespectrais a fim de se verificar a eficiência destes para futuras utilizações agrícolas. ABSTRACT: Photosynthetic pigments are essential for plant development, because they are responsible for the incident solar energy absorption used in photosynthesis. Individually quantifying these pigments in great extensions of agricultural crops has been made possible by hyperspectral remote sensing development and these information can be used to produce a more accurate vegetation physiologic state determination, species discrimination and productivity estimation. Pigments concentration can be determined through the use of reflectance indices which utilize narrow spectral bands in sum, reason or multiplication forms. The present work intends to establish the basis in hyperspectral remote sensing area and its relationships with agricultural cultures, supposing that with the usage of high spectral resolution remote sensing and taking into account the spectrally different soil influences it is possible to estimate photosynthetic pigment content in agricultural vegetable canopies. The present work also suggests the existence of important relations between spectral reflectance and the agricultural culture agronomic parameters with the following main objectives: (a) evaluation of spectral response by means of spectral indices: R750/R700, R750/R550, Ratio Analysis of Reflectance Spectra (RARS), Pigment Specific Simple Ratio (PSSR) and Pigment Specific Normalized Difference (PSND) and soybean culture vegetable components relationships; and (b) analysis of two spectrally different soils influence in soybean culture spectral behavior. Experimental methods, in vegetation house conditions, were used to verify basic assumptions and along its phenologic cycle the soybean culture [Glycine max (L.), Merril] was monitored with high resolution spectroradiometer. So considering the methods and the performed analysis it is possible to state some conclusions and recomendations taking into account that (a) although cultivated in vegetation house conditions the soybean plants grew as expected presenting dry matter accumulation and production due to an enough and efficient assimilatory system; (b) during the soybean canopy phenological cycle no soil influence was observed in the spectral response even using two specttral kinds of soils: the first one with low relfectance characteristic and the second one with high reflectance characteristic; (c) typical vegetation spectral response and relationships between these responses and pigment concentration started from V3 phenologic phase confirming these relations worth for further determinations of phenologic stage and characteristics like vigor, sanity and productivity from spectral images; (d) the greater reflectance of all collected spectra was found to be in the near infrared region around 740nm; (e) the red edge position was determined around 700 nm; (f) spectra characteristic curves changed according to soybean culture development phase and at initial and final phases a background soil influence was observed; (g) a significant relation between pigment content, the minimum red reflectance (Vmin) and the inflexion point (PI) was observed and it was also noted that the greater the Chlorophyll a concentration the lower the Vmin and the greater the PI the lower the total chlorophyll; (h) R750/R550 and R750/R700 ratios are important indices for Chlorophyll a and total chlorophyll determination and very effective when compared with NDVI (one of the vegetation remote sensing most used wide band indices); (i) RARS, PSND and PSSR narrow band indices analysis showed that PSSR is the better one for Chlorophyll a and b and Carotenoids determination; (j) when using the whole phenological cycle data the RARS indice is not efficient although it leads to good results when used in small parts of the cycle like the vegetative or the reproductive ones. This indice is also not efficient for Chlorophyll a and b and Carotonoids determination; (k) there is a relationship between PSND indice and chlorophyll a and b and no relationship between this indice and Carotenoids content; (l) At canopy level a reliable plant pigment content prediction can only be achieved from PSSR indice although this indice is not efficient for Carotenoids content determination. So with this work it can be stated that photosynthetic pigment content measurements at canopy level can be performed by hyperspectral remote sensing in a reliable way through evaluated indices and others that can be generated and further studies should be carried out with these and other indices with evaluating purposes at canopy level either in laboratory as in field conditions using spectroradio.
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