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Simulação PROSAIL da soja por estágio fenológico e discriminação de estresse

João LeonardiJoão LeonardiORCID6 min
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Espectros de reflectância de dossel de soja (Glycine max) simulados com PROSAIL em cinco estágios fenológicos: quais índices de vegetação um sensor restrito a 700700–1000 nm1000\,\mathrm{nm} ainda computa, e se estresse hídrico versus deficiência de nitrogênio deixam assinaturas distinguíveis (NDVI–NDRE, red edge, absorção em 970 nm970\,\mathrm{nm}).

Neste post reportamos as curvas por estágio, a derivada no red edge e a discriminação de estresse — o que o push-broom da série “veria” antes de qualquer aquisição real.

O modelo

O PROSAIL acopla dois submodelos de transferência radiativa:

  • PROSPECT descreve as propriedades ópticas foliares, parametrizadas pelo índice de estrutura (NN), clorofila (CabC_{ab}), carotenoides (CarC_{ar}), água (CwC_w) e matéria seca (CmC_m).
  • SAIL descreve a reflectância bidirecional do dossel, parametrizada pelo índice de área foliar (LAI), pela distribuição angular foliar (LIDF) e pelo hotspot.

Parametrização por estágio fenológico

Cinco estágios foram simulados, do vegetativo inicial à senescência. Os valores biofísicos provêm da literatura agronômica.

ParâmetroV4R3R5R7R8
LAI (m²/m²)1,54,04,53,52,0
CabC_{ab} (μg/cm²)2545503010
CarC_{ar} (μg/cm²)8101285
CwC_w (cm)0,0100,0150,0200,0120,008
CmC_m (g/cm²)0,0050,0080,0090,0070,006
NN (estrutura)1,51,82,01,71,3

Os estágios correspondem, respectivamente, ao quarto trifólio expandido (V4), ao início da formação de vagens (R3), ao início do enchimento de grãos (R5), à maturidade (R7) e à senescência (R8). A LIDF foi fixada em −0,35-0{,}35 e o hotspot em 0,01 em todos os casos.

Espectros simulados

Os espectros reproduzem as feições típicas de vegetação:

  1. Baixa reflectância no visível, associada à absorção por clorofila.
  2. Transição acentuada na região do red edge, entre 680 e 750 nm.
  3. Platô no infravermelho próximo, modulado por LAI e estrutura foliar.
  4. Bandas de absorção de água próximas a 970 nm e 1200 nm.

Espectro completo de reflectância de dossel de soja nos cinco estágios fenológicos simulados.
Espectro completo de reflectância de dossel de soja nos cinco estágios fenológicos simulados.

A derivada do red edge separa os estágios

A posição do red edge corresponde ao ponto de inflexão máxima da curva de reflectância entre 680 e 750 nm. Calculá-la pela derivada espectral dρ/dλd\rho/d\lambda evidencia a separação entre estágios.

Derivada espectral na região do red edge. O máximo da derivada desloca-se e muda de amplitude ao longo dos cinco estágios fenológicos.
Derivada espectral na região do red edge. O máximo da derivada desloca-se e muda de amplitude ao longo dos cinco estágios fenológicos.

O máximo da derivada ocorre em comprimentos de onda maiores nos estágios de maior teor de clorofila (R3 e R5), e desloca-se para comprimentos de onda menores na senescência (R8). O comportamento é consistente com a redução de clorofila ao longo do ciclo.

Índices de vegetação: quais são computáveis

Um sensor restrito a 700 a 1000 nm não acessa as bandas do visível. Essa restrição determina quais índices podem ser calculados.

O NDVI relaciona as bandas do infravermelho próximo e do vermelho:

NDVI=ρ850−ρ680ρ850+ρ680\mathrm{NDVI} = \frac{\rho_{850} - \rho_{680}}{\rho_{850} + \rho_{680}}

O NDRE substitui a banda do vermelho pela borda do vermelho:

NDRE=ρ850−ρ720ρ850+ρ720\mathrm{NDRE} = \frac{\rho_{850} - \rho_{720}}{\rho_{850} + \rho_{720}}
ÍndiceV4R3R5R7R8
NDVI0,8230,9060,9060,8830,747
NDRE0,2110,3550,3650,2910,264
REP (nm)703724724703697

Índices de vegetação ao longo dos estágios fenológicos simulados.
Índices de vegetação ao longo dos estágios fenológicos simulados.

Dois índices de uso comum não são computáveis nessa faixa. O GNDVI requer a banda verde em 550 nm, fora do intervalo do sensor. O EVI requer a banda azul, próxima a 450 nm, além da banda vermelha em 680 nm. Ambos exigiriam estender a cobertura espectral ao visível.

Cabe notar que o próprio NDVI usa ρ680\rho_{680}, que está marginalmente abaixo do corte de 700 nm. Os valores tabelados derivam do espectro PROSAIL completo, e não da resposta do sensor restrito.

Discriminação entre estresse hídrico e deficiência de nitrogênio

Sete cenários foram simulados, partindo de um dossel saudável em R5, com reduções progressivas em CwC_w (estresse hídrico) ou em CabC_{ab} (deficiência de nitrogênio).

CenárioLAICabC_{ab}CwC_w
Saudável4,5500,020
Estresse hídrico leve4,2480,016
Estresse hídrico moderado3,8450,012
Estresse hídrico severo3,2400,008
Deficiência de N leve4,3400,019
Deficiência de N moderada4,0300,018
Deficiência de N severa3,5200,017

Os dois tipos de estresse reduzem o NDVI, o que impede a discriminação por um índice isolado. As assinaturas divergem, porém, em dois indicadores.

O deslocamento da posição do red edge é o discriminante mais claro. Sob estresse hídrico severo, a REP desloca-se apenas −6-6 nm, de 725 para 719 nm. Sob deficiência de nitrogênio severa, o deslocamento é de −25-25 nm, de 725 para 700 nm. A diferença decorre do mecanismo. A deficiência de nitrogênio reduz diretamente a clorofila, que governa a posição do red edge. O estresse hídrico atua primeiro sobre o conteúdo de água.

O segundo indicador é a profundidade da feição de absorção de água em 970 nm. Ela torna-se mais rasa sob estresse hídrico, e permanece aproximadamente estável sob deficiência de nitrogênio.

Discriminação de tipo de estresse. À esquerda, a relação entre NDVI e NDRE separa a tendência horizontal do estresse hídrico da tendência diagonal da deficiência de nitrogênio. À direita, a relação entre REP e a profundidade da absorção em 970 nm.
Discriminação de tipo de estresse. À esquerda, a relação entre NDVI e NDRE separa a tendência horizontal do estresse hídrico da tendência diagonal da deficiência de nitrogênio. À direita, a relação entre REP e a profundidade da absorção em 970 nm.

A combinação dos dois eixos, portanto, sugere separação entre os tipos de estresse, o que um índice único não fornece.

Extensão a outras culturas

A mesma parametrização foi aplicada às principais culturas do estado do Paraná, com milho, soja, cana-de-açúcar e trigo simulados em seus respectivos calendários.

Comparação das assinaturas espectrais simuladas para as culturas do Paraná.
Comparação das assinaturas espectrais simuladas para as culturas do Paraná.

Limitações

  • Os resultados são de simulação física. Não há validação com medidas de campo.
  • Os parâmetros biofísicos derivam da literatura, e não de amostragem local.
  • Apenas a soja foi parametrizada em detalhe. A generalização a outras espécies requer verificação.
  • O dossel é tratado como homogêneo, sem variabilidade espacial interna.
  • A geometria de aquisição é fixa no nadir, sem variação diurna.
  • A simulação é estática. Não há dinâmica temporal dentro de cada estágio.
  • Os efeitos atmosféricos não foram incorporados.

Referências

  • Jacquemoud, S., Baret, F. (1990). PROSPECT: A model of leaf optical properties spectra. Remote Sensing of Environment, 34(2), 75-91.
  • Verhoef, W. (1984). Light scattering by leaf layers with application to canopy reflectance modeling: the SAIL model. Remote Sensing of Environment, 16(2), 125-141.
  • Jacquemoud, S. et al. (2009). PROSPECT + SAIL models: A review of use for vegetation characterization. Remote Sensing of Environment, 113, S56-S66.

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