1SER 341 2012Cláudio Barbosa

SER 341 - 2012

Sensoriamento Remoto Aplicado

Ambientes Aquáticos

Cláudio Barbosa

2SER 341 2012Cláudio Barbosa 2Cláudio Barbosa

Idéia de como o Sensoriamento Remoto é aplicado no estudo e

monitoramento de Sistemas Aquáticos continentais

Sistemas Aquáticos continentais

(lagos, reservatórios, rios, áreas costeiras)

Objetivo

3SER 341 2012Cláudio Barbosa 3

Princípio do S.R. aplicado a ambientes aquáticos

Cláudio Barbosa

Interação da radiação eletromagnética com a água e seus constituintes.

Ao penetrar na coluna d’água,

a radiação é submetida a

alterações, tanto na sua

intensidade quanto na sua

composição espectral.

refração

absorção

espalhamento

Estas alterações dependem de fatores como quantidade de material

dissolvido e em suspensão.

4SER 341 2012Cláudio Barbosa 4

Processos básicos REM / ecossistema aquático

refração

absorção

espalhamento

Somente duas coisas acontecem quando fótons penetram num corpo

d’água. São absorvidos ou espalhados.

A magnitude destes processos

está intimamente relacionada

com a composição da coluna

d’água.

Quantificar estes processos

permite inferir sobre a

composição, da água.

Manaus, Julho de 2010 Cláudio Barbosa

5SER 341 2012Cláudio Barbosa 5

Fonte: Radiação solar

Manaus, Julho de 2010 Cláudio Barbosa

Utiliza-se majoritariamente

sensores passivos

Algumas aplicações do S.R. utilizam-se uma ampla faixa do espectro

Fonte:

Sensores ativo óleo na água

6SER 341 2012Cláudio BarbosaCláudio Barbosa

Similar a

Distribuição radiação solar

< 400 nm baixa irradiância

> 850 nm baixa energia eabrupto aumento da absorção

pela água

Faixa: 400 a 700 nm (Luz visível)

Maior radiação solar

Ambientes aquáticos somente região da luz visível e infravermelho próximo

7Outubro de 2010

7

Regiões do espectro visível

Manaus, Julho de 2010 Cláudio Barbosa

O olho humano é sensível a radiação eletromagnética entre 400 e 700 nm

(luz visível).

8SER 341 2012Cláudio Barbosa

Ambiente aquáticos: Modelagem 3D

a – espalhamento por sedimentos inorgânicos

b – espalhamento por moléculas de água

c – absorção por matéria orgânica dissolvida

d –reflexão de fundo

e – espalhamento por fitoplanctons

Alvos terrestres

Processo bidimensional de

espalhamento simples

Ambientes aquáticos

inerentemente tridimensional,

espalhamento múltiplo dentro do

perfil do corpo d´água

Fonte: IOCCG

9SER 341 2012Cláudio Barbosa 9

Sinal na superfície da água e no sensor

Manaus, Julho de 2010 Cláudio Barbosa

10SER 341 2012Cláudio Barbosa

Curvas espectrais de diferentes corpos d’água

Espectros característicos de altas concentrações de sedimentos inorgânicos em suspensão

Espectros característicos de altas concentrações de organismos clorofilados

Espectros característicos de matéria orgânica dissolvida

11SER 341 2012Cláudio Barbosa 11

Resposta espectral de corpos de água

Manaus, Julho de 2010 Cláudio Barbosa

12Outubro de 2010

Cor da água

Propriedades Ópticas(campo de luz submerso)

Elo de ligação

com SR

As propriedades ópticas dos corpos de água são o elo de ligação entre as

propriedades do sistema aquático e a informação que pode ser obtida por

sensoriamento remoto.

Tanto a água pura quando seus constituintes atuam sobre a luz que penetra num dado corpo de água e provoca alterações em sua cor e transparência.

13Outubro de 2010

Kutser, 2007

O que explica esta multiplicidade de cores na água e como são registradas por sensores remotos?

14Outubro de 2010

exemplo

15SER 341 2012Cláudio Barbosa

Tipo de águas

água pretaAlto conteúdo de húmus dissolvido,baixo nível de sedimentos, níveisextremamente baixos de nutrientes.

água branca:Carregam muito sedimento.

16SER 341 2012Cláudio Barbosa

Águas claras

Assim como as águas pretas, elas podem ser muito pobres em sedimentos, mas em algumas áreas podem ser ricas em matéria dissolvida.

17SER 341 2012Cláudio Barbosa

Tipos de águas amazônicas

Água Preta (Rio Negro)

Água Branca (Rio Amazonas)

Manaus

Santarém

Água Clara (Rio Tapajós

18Outubro de 2010

Componentes Opticamente Ativos

Água;

Substâncias húmicas dissolvidas;

Material particulado em suspensão (TSS)

matéria orgânica viva (fitoplâncton) e

matéria inorgânica e detritos.

Como as propriedades espectrais destes

componentes variam com o comprimento de onda

incidente?

19Outubro de 2010

Água pura

Espectro de reflexão da água (b/a),

20Outubro de 2010

Substâncias húmicas

21Outubro de 2010

A B D FC E

Comprimento de onda (nm)

A B D FC E

Comprimento de onda (nm)

Matéria inorgânica e detritos: similar as substâncias húmicas

matéria orgânica viva

22Outubro de 2010

Assinaturas espectrais da composição da coluna d’água Curvas espectrais de absorção de

alguns pigmentos

Comprimento de onda (nm)

Dif

ere

ntes

conc

ent

raçõ

es

de c

loro

fila

23Outubro de 2010

Concentração fixa de clorofila e variando a concentração de sedimentos

A

B

C61 NTU

21 NTU

10 NTU

4 NTU

A

B

C61 NTU

21 NTU

10 NTU

4 NTU

Ocorre interação entre a

resposta de cada constituinte.

(um interfere no outro)

Aguas complexas Tipo 2

24Outubro de 2010

Plancton total- Comportamento Espectral Ambientes Eutróficos

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Wavelength (nm)

Subsurf

ace I

rradia

nce R

eflecta

nce

Lake Loosdrecht (NL)

PC

Chl a

Informação no domínio do vermelho-

infravermelho

25Outubro de 2010

Florações de algas

26Outubro de 2010

Curvas espectrais de diferentes corpos d’água

Espectros característicos de altas concentrações de sedimentos inorgânicos em suspensão

Espectros característicos de altas concentrações de organismos clorofilados

Espectros característicos de matéria orgânica dissolvida

27Outubro de 2010

Exemplo de mapeamento de clorofila

http://apolo11.com/imagens_de_satelite.php

Mapeamento de concentrações de clorofila

Imagem multi-espectral

500.05

28Outubro de 2010

aplicações

29Outubro de 2010

29Manaus, Julho de 2010 Cláudio Barbosa

Exemplos de Aplicações

30Outubro de 2010

high water stage Image

Amplitude annual de 7 metros

Low water stage Image

Flutuação interanual de 2 metros

Dinâmica de inundação (flutuação do nível da água)

Daily water stage records

31Outubro de 2010

Composição da agua em anos diferentes

1999 2002

1

2

1

3

3

4

56

62

3

6

4

32Outubro de 2010

Exploratory analysis of water level records

Rio Amazonas

Estado 1

Estado 2

Estado 4Estado 3

Flu

xo

Máx

imo

Planície de Curuai

Flu

xo

~ z

ero

Flu

xo

Máx

imoFlu

xo

~ z

ero

Rio Amazonas

Estado 1

Estado 2

Estado 4Estado 3

Flu

xo

Máx

imo

Planície de Curuai

Flu

xo

~ z

ero

Flu

xo

Máx

imoFlu

xo

~ z

ero

Rio Amazonas

Estado 1

Estado 2

Estado 4Estado 3

Flu

xo

Máx

imo

Planície de Curuai

Flu

xo

~ z

ero

Flu

xo

Máx

imoFlu

xo

~ z

ero

Approach:

Treat the river/floodplain as a 4 states system based on water level dynamics:

States 1 e 2 Stability

States 3 e 4 Instability

33Outubro de 2010

Diferentes composições da agua

1

2

1

3

3

4

56

62

3

6

4

1 – alta concentração de clorofila 2 – media concentração de clorofila

3 - alta concentração de partículas inorgânicas 4 – média concentração de partículas inorgânicas

5 – média concentração de partículas orgânicas e baixa inorgânicas

6 – alta concentração de matéria orgânica dissolvida

(TM 1-> Blue, TM 2 -> Green, TM 3-> Red)

34Outubro de 2010

Sistemas aquáticos amostrados

35Outubro de 2010

Infraestrutura de campo

36Outubro de 2010

Infraestrutura de campo

37Outubro de 2010

Infraestrutura de campo

38Outubro de 2010

Infra estrutura utilizada

39Outubro de 2010

modelos

surface reflectance image

40Outubro de 2010

MCC

ACC

ACPI

MCPI

ACMO

MCMO

Estado 1MCC

ACC

ACPI

MCPI

ACMO

MCMO

MCC

ACC

ACPI

MCPI

ACMO

MCMO

MCC

ACC

ACPI

MCPI

ACMO

MCMO

Estado 1

Legend

ACC – High Chlorophyll Concentration;MCC - Medium Chlorophyll ConcentrationACPI - High Inorganic Particle ConcentrationMCPI – Medium Inorganic Particle ConcentrationMACP – Very High Inorganic Particle ConcentrationACMO – High Dissolved Organic Matter ConcentrationMCMO – Midium Dissolved Organic Matter Concentration

MCC

ACC

ACPI

MCPI

ACMO

MCMO

Estado 4MCC

ACC

ACPI

MCPI

ACMO

MCMO

MCC

ACC

ACPI

MCPI

ACMO

MCMO

Estado 4

MCC

ACC

ACPI

MCPI

ACMO

MCMO

Estado 2 MCC

ACC

ACPI

MCPI

ACMO

MCMO

MCC

ACC

ACPI

MCPI

ACMO

MCMO

Estado 2 MACPI

MCC

ACPI

MCPI

ACMO

MCMO

Estado 3MACPI

MCC

ACPI

MCPI

ACMO

MCMO

MACPI

MCC

ACPI

MCPI

ACMO

MCMO

Estado 3

State 1 State 4

State 2State 3

Results of mapping

41Outubro de 2010

Multi-temporal Sequence – high water

Predominance of chlorophyll is recurrent in high water

water level

930 cm

977 cm

1015 cm

42Outubro de 2010

Mapeamento de clorofila por imagens do sensor MODIS

Novo et all. 2006

Exemplo: mapeamento de clorofila

43Outubro de 2010

Calibração da imagem (modelo)

Aquisição de verdade terrestre

44Outubro de 2010

Chlorophyll concentration (empirical models)

(D)

(A) (B)

(C)

45Outubro de 2010

Seasonal changes :2002 and 2003

Limnology (2006) 7:153–161

Mudança sazonal na distribuição espacial de clorofila em lagos

da planície de inundação derivadas de imagens MODIS

46Outubro de 2010

Site 3 –Sustainable Development Reserves

Evaluate the relationship between pirarucu abundance in floodplain lakes and its habitat

characteristics through the integration of optical and radar remote sensors and field data in GIS

100 K

m

47Outubro de 2010

Obrigado

48Outubro de 2010

aplicações

100 Km

20 Km