Biblioteca Espectral de Solos do Brasil
Departamento de Ciência do Solo - Laboratório de Sensoriamento Remoto Aplicado a Solos
Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" - Universidade de São Paulo
Sobre a BESB
Por que a criação de uma biblioteca espectral de solos?
A energia eletromagnética (seja ela proveniente do sol ou de uma fonte artificial) que incide em uma determinada superfície, interage com seus constituintes e é parcialmente refletida pela mesma. A proporção entre a energia eletromagnética refletida e a que originalmente incidiu sobre essa superfície é denominada de reflectância da superfície. A reflectância carrega consigo informações relacionadas a constituição físico-química do material, sendo que cada tipo de material (vegetação, solos, água, etc) apresenta um padrão de comportamento dessa, ou comportamento espectral. Para um mesmo tipo material (Ex. Solos), porém com características diferentes (Ex.: solo argiloso e solo arenoso), há também uma variação do comportamento espectral. Sendo assim, se há uma grande diversidade de tipos de solos, por exemplo, por consequência haverá uma grande variabilidade de comportamento espectral. Logo um grande banco de dados espectrais de solos, carrega consigo informações relativas à constituição desses solos. Portanto, esse banco de dados permite visualizar padrões de similaridade e variabilidade entre distintas amostras de solos. Um banco de dados espectrais de solos é chamado de Biblioteca espectral de solos (proveniente do inglês Soil Spectral Library).
Para que a criação de uma biblioteca espectral de solos?
A partir da reflectância de superfície das amostras de solos, medidas por sensores situados em laboratório, é possível o desenvolvimento modelos que relacionam o comportamento espectral dessas a algumas características desses solos. A literatura demostra, que o comportamento espectral de amostras solos, apresenta uma forte relação com vários atributos dos mesmos. Principalmente, matéria orgânica, composição mineralógica e composição granulométrica, além de em alguns trabalhos permitir a predição de teores de elementos trocáveis e metais pesados (Nocita et al., 2014). Além disso, é um método não destrutivo que não gera resíduos químicos, além de ser possível a obtenção de dados in situ (Viscarra Rossel et al., 2006).
Para tornar esta informação espectral útil para a comunidade científica de solos, é fundamental a padronização da coleta de dados espectrais e posterior formação de Bibliotecas Espectrais (Viscarra Rossel e Behrens, 2010). Um amplo banco de dados é fundamental para o estudo do comportamento espectral dos solos e para a criação de modelos de predição de atributos a partir dos espectros (Shepherd e Walsh, 2002). Somado a isso, técnicas de espectroscopia, também permitem uma análise qualitativa do comportamento espectral (Demattê et al., 2014). As alicações qualitativas e quantitativas de uma biblioteca espectral contribuem também para o monitoramento e mapeamento de solos.
O presente projeto foi idealizado no formato colaborativo, tendo por base a criação da Biblioteca Espectral de Solos do Brasil – BESB. Para tanto, uma grande banco de dados foi criado, contendo um grande número de amostras de solo de todo país, com suas respectivas análises tradicionais de laboratório e leituras espectrais. Hoje, está clara a importância do tema, fato comprovado pelas ações internacionais (Austrália, Europa, Estados Unidos, África, entre outros) que vem desenvolvendo suas próprias bibliotecas.
Referências:
DEMATTÊ et al. Morphological Interpretation of Reflectance Spectrum (MIRS) using libraries looking towards soil classification. Scientia Agricola, v. 71, n. 6, p. 509-520, 2014.
NOCITA, Marco et al. Prediction of soil organic carbon content by diffuse reflectance spectroscopy using a local partial least square regression approach. Soil Biology and Biochemistry, v. 68, p. 337-347, 2014.
SHEPHERD, K. D.; WALSH, M. G. Development of reflectance spectral libraries for characterization of soil properties. Soil science society of America journal, v. 66, n. 3, p. 988-998, 2002.
VISCARRA ROSSEL, R.A. et al. Visible, near infrared, mid infrared or combined diffuse reflectance spectroscopy for simultaneous assessment of various soil properties. Geoderma, v. 131, n. 1-2, p. 59-75, 2006.
VISCARRA ROSSEL, R.A; BEHRENS, T. Using data mining to model and interpret soil diffuse reflectance spectra. Geoderma, v. 158, n. 1-2, p. 46-54, 2010.
A dimensão da BESB
Acessando a Localização dos Dados Espectrais, o usuário poderá observar em sua tela, um mapa do Brasil, que indica a localização de todos os colaboradores que contribuíram para a construção da BESB. Os mesmos, também possuem os dados espectrais de solos das amostras de solos enviadas. Tais informações possuem o intuito de estimular a integração entre pesquisadores, contribuindo assim com o avanço do conhecimento para o bem da ciência do solo.
BESB em números
Até o presente momento a construção da BESB já produziu números significativos de ações e resultados:
Protocolo de aquisição de dados
Os dados de reflectância na faixa do Vis-NIR-SWIR foram obtidos com o espectrorradiômetro FieldSpec 3 (Analytical Spectral Devices, ASD, Boulder, CO), que opera na faixa espectral desde 350 a 2.500nm. A resolução espectral do sensor varia, sendo: 3nm, entre 350 a 700nm e 10nm entre 700 a 2.500nm. No entanto os dados de saída são automaticamente interpolados para a resolução espectral de 1nm, resultando em 2.151 canais (ou bandas).
As amostras de terra foram secas em estufa a 45°C por 48 horas e moídas e peneiradas em malha de 2mm. Em seguida, foram dispostas em placas de Petri de 9 cm de diâmetro e 1,5cm de altura. A superfície das amostras foi homogeneizada (deve estar plana, sem nenhuma ondulação), reduzindo a influência da rugosidade (sombreamento). A leitura espectral foi realizada numa sala escura, para evitar interferência de luz natural, usando uma fibra óptica conectada ao sensor. O sensor utilizado capta a luz refletida, através do cabo de fibra óptica, alocado na posição vertical distante 8cm da superfície da amostra. A luz que incide na amostra provem de duas lâmpadas halógenas de 50W (fonte de energia). Essas lâmpadas foram posicionadas num ângulo de 90° entre si e distantes 35cm da amostra com um ângulo zenital de 30°, conforme a figura a seguir:
Geometria de aquisição
POPPIEL, R.R.; LACERDA, M.P.C. ; DEMATTÊ, J.A.M.; OLIVEIRA, M.P.; GALLO, B.C.; SAFANELLI, J.L.
Pedology and soil class mapping from proximal and remote sensed data. Geoderma, v. 348, p. 189-206, 2019.
Antes de iniciar as leituras, o sensor foi calibrado usando uma placa Spectralon branca, representando um padrão de reflectância de 100%. Para cada amostra, foram realizadas três leituras em posições diferentes, girando a placa de petry em 90°, onde cada leitura resultou da média de 100 escaneamentos feitos pelo sensor. A partir dessas três leituras, foi calculado o espectro final de cada amostra.
Desenvolvimento e melhoria da BESB
Desenvolvimento e melhoria da BESB
A ampliação do acervo da BESB está automatizada. Cada usuário que envia um espectro (upload) via BESBap e para quantificação de atributos, é convidado a dar uma devolutiva (ver Funcionamento BESBap), fornecendo as respectivas análises de solo do mesmo espectro. Portanto, é importantíssimo que a sigla (ID) que identifica um espectro enviado, seja a mesma na planilha (arquivo .csv) com as análises tradicionais de solos de referência enviadas. Esses dados serão filtrados e irão municiar o sistema. Pode ser feita a analogia com uma biblioteca onde cada livro novo adquirido contribui para o aumento do acervo. Cada usuário que contribuir com devolutiva, terá seu nome e instituição ou empresa, incluído no mapa de Localização dos Dados Espectrais e aparecerá também como colaborador (A citação da colaboração é opcional). Caso algum usuário desejar contribuir, mas só possui as amostras de solo sem curvas espectrais, o mesmo poderá entrar em contato com o GEOCIS ou com o Prof. Demattê.