Cibele Hummel do Amaral

223 Pages·2015·14.11 MB·Portuguese

Cibele Hummel do Amaral

SENSORIAMENTO REMOTO HIPERESPECTRAL E DEFINIÇÃO DE
ESPÉCIES INDICADORAS APLICADOS À GEOBOTÂNICA NO
BIOMA CERRADO

Tese apresentada ao Instituto de
Geociências da Universidade de São
Paulo, como parte dos requisitos para
obtenção do grau de Doutor em
Ciências

Área de Concentração: Recursos
Minerais e Meio Ambiente

Orientador: Prof. Dr. Teodoro Isnard

Ribeiro de Almeida

SÃO PAULO
2014
VERSÃO CORRIGIDA
Autorizo a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio
convencional ou eletrônico, para fins de estudo e pesquisa, desde que citada a fonte.

Ficha catalográfica preparada pelo Serviço de Biblioteca e Documentação do
Instituto de Geociências da Universidade de São Paulo

Amaral, Cibele Hummel do
Sensoriamento remoto hiperespectral e definição
de espécies indicadoras aplicados à Geobotânica no
bioma Cerrado / Cibele Hummel do Amaral. – São
Paulo, 2014.
201f + 3 Apêndices.

Tese (Doutorado) : IGc/USP
Orient.: Almeida, Teodoro Isnard Ribeiro de

1. Geobotânica 2. Bioma Cerrado 3. Formações
sedimentares 4. Sensoriamento remoto hiperespectral
5. Análise multivariada I. Título
Nome: Amaral, Cibele Hummel do
Título: Sensoriamento remoto hiperespectral e definição de espécies indicadoras aplicados à
Geobotânica no bioma Cerrado.

Tese apresentada ao Instituto de Geociências da Universidade de São
Paulo para obtenção do título de Doutor em Ciências.

Aprovado em:

Banca Examinadora

Prof. Dr. _____________________________Instituição:_____________________________
Julgamento:__________________________Assinatura:_____________________________

Prof. Dr. _____________________________Instituição:_____________________________
Julgamento:__________________________Assinatura:_____________________________

Prof. Dr. _____________________________Instituição:_____________________________
Julgamento:__________________________Assinatura:_____________________________

Prof. Dr. _____________________________Instituição:_____________________________
Julgamento:__________________________Assinatura:_____________________________

Prof. Dr. _____________________________Instituição:_____________________________
Julgamento:__________________________Assinatura:_____________________________
A minha família e a meu companheiro pelo apoio incondicional.
AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Teodoro Isnard Ribeiro de Almeida que sempre me contagiou com seu
fascínio à geobotânica e à investigação científica. Obrigada pelas oportunidades, pela
orientação, pela confiança em meu trabalho e por sua amizade. Obrigada por sua vibração a
cada resultado alcançado e pelo prazer de termos constituído uma equipe apaixonada pelo
que faz.
Ao Prof. Dr. Carlos Roberto de Souza Filho, do Instituto de Geociências da
Universidade de Campinas, que me co-orientou e me estimulou a crescer profissionalmente.
Muito obrigada pela confiança, pelas oportunidades, pelas orientações e por todo seu
empenho e amizade.
Ao Dr. Marcos Nopper Alves de Almeida, do Centro Pluridisciplinar de Pesquisas
Químicas, Biológicas e Agrícolas, da Universidade de Campinas, por toda ajuda e suporte
dado ao desenvolvimento desta pesquisa e por sua amizade.
Ao Dr. Stephen J. Fraser, do Queensland Centre for Advanced Technologies,
CSIRO/AUS, por me recepcionar tão bem em sua instituição e em seu país. Muito obrigada
pela orientação e pela oportunidade de trabalharmos juntos.
Ao Prof. Dr. Dar A. Roberts, do Departamento de Geografia, da Universidade da
Califórnia, Santa Barbara/EUA, por tudo que me ensinou, essencial para o desenvolvimento
da pesquisa de doutorado e para minha formação profissional, por confiar em meu trabalho,
pelas oportunidades e por sua amizade.
Aos Profs. Drs. Lênio Soares Galvão, da divisão de Sensoriamento Remoto, do
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, e Waldir Mantovani, professor titular aposentado
da Universidade de São Paulo, por contribuírem substancialmente com suas observações à
pesquisa, na qualificação de meu doutoramento.
Ao Prof. Dr. Agostinho Lopes de Souza, professor titular aposentado da Universidade
Federal de Viçosa, que me orientou técnica e academicamente durante meu doutoramento.
Aos funcionários da Estação Ecológica de Mogi-Guaçu, do Instituto Florestal do
Estado de São Paulo, especialmente a Dirceu de Souza, Arnaldo Pereira (em memória),
Omar Jorge Di Dio, Giovani Germano, José Carlos de Lima e Silvia de Souza Bonatti, que
me acolheram de braços abertos e me deram muito mais do que o apoio necessário para a
realização da pesquisa. Obrigada pela doação de vocês e pela amizade.
Aos colegas que me ajudaram, de alguma forma, em campo ou nos diversos
processamentos necessários ao desenvolvimento desta pesquisa. Muito obrigada Moreno
Botelho, Lucíola Magalhães, Giuliana Quitério, Flávia Mendes, Cleyton Carneiro, Natasha
Penatti, Enos Sato, Sidney Goveia, Carlos Carrasco, Daniela Gamito, Vitor Ribeiro,
Francisco Cavallaro, Susan Meerdink, Keely Roth e Seth Peterson. Muito obrigada, meus
colegas, por compartilharem comigo o conhecimento e o tempo de vocês!
À equipe FOTOTERRA/SpecTIR, particularmente a Guilherme Pinho e Conrad
Wright, pela cessão das imagens hiperespectrais utilizadas nessa pesquisa.
Ao Instituto Agronômico de Campinas pela realização de análises granulométricas e
químicas de solos e de sedimentos para a pesquisa.
Ao Laboratório de Fisiologia Vegetal, da Universidade de Campinas, especialmente
ao Prof. Dr. Paulo Mazzafera, pela realização de análises químicas foliares para a pesquisa.
Ao Instituto Florestal do Estado de São Paulo pela permissão e suporte dados à
execução da pesquisa na Estação Ecológica de Mogi-Guaçu.
Ao Instituto de Geociências, da Universidade de São Paulo, ao Programa de Pós-
graduação em Recursos Minerais e Hidrogeologia do Departamento de Geologia
Sedimentar e Ambiental (coordenadores e chefias) e ao Laboratório de Informática
Geológica por todo apoio ao desenvolvimento dessa pesquisa, bem como à minha formação
profissional. Obrigada Antônio, Samuel, Denise, Rita, Tadeu, Magali, Leonardo, Katherine,
Claudionor, Henrique, Edmir, José, Solange e Maria Ivone por todo apoio técnico e amizade.
Ao Instituto de Geociências, da Universidade de Campinas, por todo apoio concedido
à pesquisa, principalmente ao Laboratório de Espectroscopia de Reflectância pela cessão
de espectrorradiômetro de campo, bem como do espaço físico para mensurações realizadas
em laboratório. Agradeço a essa instituição também pelos convites para participação em
cursos essenciais para o desenvolvimento desta pesquisa: “Self-Organizing Maps”,
ministrado pelo pesquisador Dr. Stephen J. Fraser (CSIRO/AUS) e pelo Prof. Dr. Cleyton C.
Carneiro (POLI-USP, na época doutorando daquele instituto); e “Workshop on spectroscopic
remote sensing and the USGS PRISM software”, ministrado pelo pesquisador Raymond
Kokaly (USGS/EUA).
Ao Centro Pluridisciplinar de Pesquisas Químicas, Biológicas e Agrícolas, da
Universidade de Campinas, por todo suporte infraestrutural dado a esta pesquisa, quanto a
utilização de equipamentos e espaço para armazenamento de amostras foliares, bem como,
ao empréstimo de equipamentos utilizados em campo.
Ao Queensland Centre for Advanced Technologies, CSIRO/AUS, por todo o apoio
infraestrutural durante o período em que estive na instituição.
Ao Departamento de Geografia, da Universidade da Califórnia, Santa Barbara/EUA,
em especial a Dylan Parenti, Bryan Karaffa, Connie Padilla e José Saleta por todo apoio
técnico, durante meu estágio na instituição. Ao Visualization & Image Processing for
Environmental Research Laboratory por todo apoio infraestrutural, pela utilização de
softwares e pela recepção e convivência amistosas do “VIPER team”.
À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo
financiamento desta pesquisa – auxílio pesquisa regular (2010/51758-2) e bolsa de
doutorado (2010/51718-0). Ao Instituto de Geociências da USP, ao PROAP-CAPES e à Pró-
reitoria de Pós-graduação da USP por também terem colaborado financeiramente para o
desenvolvimento desta pesquisa e para minha formação acadêmica.
A alegria de ver e compreender é
a mais bela dádiva da natureza.
Albert Einstein
RESUMO

Amaral, C. H. (2014). Sensoriamento remoto hiperespectral e definição de espécies
indicadoras aplicados à Geobotânica no bioma Cerrado. Tese de doutorado. Instituto de
Geociências, Universidade de São Paulo, São Paulo.

A Geobotânica por sensoriamento remoto é uma técnica de obtenção de informações
geológicas indiretas em ambientes cobertos por vegetação e apresenta grandes
perspectivas por sua capacidade de otimizar trabalhos de campo e gerar possíveis alvos a
serem examinados. O objetivo deste estudo foi realizar a discriminação espectral, em escala
de folha e de copa, de espécies arbóreas neotropicais associadas localmente a diferentes
formações e fácies geológicas, bem como defini-las remotamente como indicadoras
geológicas na Estação Ecológica de Mogi-Guaçu, São Paulo, Brasil. Dados obtidos em 70
unidades amostrais, como texturais de solos e sedimentos, químicos de solos, de nível do
freático, altitudinais (modelo digital de terreno), fitossociológicos e fisiológicos/estruturais de
vegetação (índices hiperespectrais de vegetação), foram minerados e analisados através da
técnica de quantização vetorial Self-Organizing Maps (SOM). Inga vera Willd. subsp. affinis
(DC.) T.D. Penn (INVE) e Calophyllum brasiliense Cambess. (CABR) mostraram-se
associadas à planície de inundação, incluindo meandros abandonados (Depósitos
Aluvionares), com amplo domínio das frações argila e silte nos sedimentos. Qualea
grandiflora Mart. (QUGR) e Tabebuia ochracea (Cham.) Standl. (TAOC) foram identificadas
apenas nas colinas e platôs da Formação Aquidauana, com altas porcentagens das frações
areia fina, média e grossa, e escasso silte. Cedrela fissilis Vell. (CEFI) e Zeyheria
tuberculosa (Vell.) Bur. (ZETU) demonstraram estar associadas a uma fácies aflorante da
Formação Aquidauana, com distinta presença das frações de areia grossa e muito grossa,
além da baixa porcentagem das frações silte e areia fina. As cinco primeiras espécies
tiveram dados bioquímicos e espectrais (400-2.500 nm, FieldSpec 3 Hi-Res) coletados, em
escala de folha, tanto no período chuvoso quanto no seco. Seus espectros foram
classificados através da técnica Multiple Endmember Spectral Mixture Analysis (MESMA).
As espécies foram bem discriminadas em ambos os momentos sazonais, nessa escala de
trabalho. Dentre os melhores resultados por intervalo espectral, as exatidões do produtor e
do usuário não foram inferiores a 87,5%. Esse sucesso mostrou estar intimamente ligado à
alta variabilidade bioquímica observada em suas folhas. As variações intra e interespecíficas
em compostos bioquímicos puderam ser correlacionadas às suas variações espectrais. A
discriminação espectral em escala de copa foi realizada com dois membros-finais (MF) via
MESMA para CEFI, INVE e QUGR. Os pixels das imagens pré-processadas do sistema de
sensores aeroportados ProSpecTIR-VS (530-2.532 nm, 1 m de resolução espacial) foram
modelados por três MF: MF da classe de espécie-alvo, MF de outras classes de vegetação
e sombra fotométrica. A falta de comissão espectral e a relativa baixa omissão espectral
atingidas por QUGR na modelagem com dois MF, que incluiu outras classes de vegetação,
refletiu em um mapeamento satisfatório de sua fração espectral. As tendências em
distribuição dessa espécie indicaram claramente as colinas e platôs da Formação
Aquidauana na área estudada.

Palavras-chave: Geobotânica, bioma Cerrado, formações sedimentares, sensoriamento
remoto hiperespectral, análise multivariada, análise de mistura espectral.