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.