Ecoterra, no. 28, 2011

95

APLICAŢIILE SPECTROMETRULUI PORTABIL ASD TERRASPEC VNIR-SWIR ÎN MONITORIZAREA STRESULUI VEGETAŢIEI Adina-Laura LAZĂR, Călin BACIU, Ioan Cristian POP Universitatea Babeş-Bolyai din Cluj-Napoca, Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Mediului

Abstract: Portable ASD-Terraspec VNIR-SWIR spectroradiometer applications in monitoring stress vegetation. The development of remote sensing of the Earth has been heavily dependent on the creation of new tools for data acquisition and analysis. Portable ASD spectroradiometers are important tools and are widely used for spectral measurements in many scientific fields and for validation of satellite and airborne spectral imaging, for more precise image analysis and interpretation. The remarkable thing in imaging spectrometry and remote sensing is that details that are not visible to the human eye can be detected. As an example, one can identify spectra for different types of minerals or can monitor stress vegetation by observing the change in pigmentation, moisture content and cellular structure of vegetation. Aside from remote sensing applications, field spectrometers are used to make direct material identifications in the field rather than collecting samples for later laboratory analysis. In this presentation, the discussion will be limited to: monitoring stress vegetation, by using Field ASD spectroradiometer. Key words: portable spectroradiometer, non imaging spectrometry, stress vegetation, red edge, spectral signature. Introducere Factorii perturbatori sau care influenţează dezvoltarea vegetaţiei pot fi clasificaţi în mai multe tipuri, printre care: factorii biotici - parazitismul, bacteriile, diferite tipuri de microorganisme, insecte; factorii abiotici - inundaţiile, seceta etc; factori antropici printre care exploatările miniere generatoare de ape acide sau activităţile industriale generatoare de poluanţi atmosferici care afectează în mod indirect vegetaţia. În urma poluării cauzate de exploatările miniere, principalele componente de mediu sunt afectate în mod direct. Solul poate să devină puternic acid, cu un conţinut ridicat de metale grele, ceea ce duce la scăderea conţinutului în materie organică şi nutrienţi necesari dezvoltării vegetaţiei (azot, potasiu, fosfor). Astfel fertilitatea solului scade ducând la defavorizarea dezvoltării plantelor. Vegetaţia expusă poate să sufere astfel unele modificări chimice, fizice şi fiziologice. Acest lucru duce la inhibarea dezvoltării vegetaţiei sau chiar la distrugerea acesteia uneori în totalitate. Aceşti factori de stres afectează procesele de fotosinteză, transpiraţie şi metabolism [4]. O reducere a transferului de CO2 în molecule datorată scăderii ratei de transpiraţie, duce la o scădere a cantităţii de carbon asimilat. De asemenea, se produc schimbări în pigmentaţia frunzei, în capacitatea de reţinere a apei în plantă şi în sinteza de metaboliţi secundari. Ca rezultat al schimbărilor fiziologice foliare, pot apărea simptome vizibile cum ar fi pete negre la suprafaţa frunzelor. Unele acumulări de compuşi care produc stresul la nivelul vegetaţiei, pot rămâne fără efecte vizibile. Semnal spectral Efectele care nu sunt vizibile cu ochiul liber pot fi detectate şi analizate cu ajutorul spectrometriei non imagistice, spectrometriei imagistice şi teledetecţiei. Aceste metode de cercetare sunt utilizate cu succes în monitorizarea stresului vegetaţiei. Fiecare obiect sau proces emite sau remite radiaţii electromagnetice (semnale spectrale) care constituie semnătura prin care este posibilă identificarea sa [5]. Semnătura spectrală reprezintă relaţia dintre radiaţia electromagnetică şi proprietăţile fizice şi chimice ale obiectelor de interes (fig. 1). Cercetări asupra reflectanţei vegetaţiei pot ajuta la întelegerea proceselor chimice, fizice şi fiziologice în plante şi a stresului vegetaţiei.

Ecoterra, no. 28, 2011

96

Fig. 1. Exemplificarea reflectanţei la nivelul frunzei.

Spectrometrul ASD TerraSpec VNIR-SWIR portabil Spectrometria non imagistică de teren este o metodă de măsurare cantitativă a fenomenului de strălucire, iluminare, reflexie sau transmisie, direct în teren. Spectrometrul Analytical Spectral Device TerraSpec portabil (fig. 2) este folosit în scopul obţinerii unor astfel de informaţii spectrale în teren. Domeniul spectral de operare al aparatului este cuprins între lungimile de undă de la 350 nm la 2500 nm (sau 0,35µm la 2,5µm) şi are o rezoluţie spectrală cuprinsă între 3 şi 10 nm. Spectrometrul este prevăzut cu un dispozitiv detaşabil de măsurare a reflectanţei la nivelul frunzei, numit „plant probe” (fig. 3). Dispozitivul are în componenţă o lampă reflectorizantă cu halogen de 100 de W care reprezintă sursa artificială de lumină necesară transmisiei de energie electromagnetică şi un „clip leaf” pentru susţinerea probei direct în teren. Informaţiile spectrale sunt transmise la sistemul de analiză printr-un cablu de date cu fibră optică [1]. Răspunsurile spectrale sunt înregistrate în scopuri comparative sau de corelare cu alţi parametri (de ex. în cazul vegetaţiei, cu conţinutul biochimic – analiză de laborator). Pentru o mai bună interpretare şi pentru o mai bună precizie, spectrele obţinute în teren sunt corelate cu imagini satelitare şi aeriene. Acest proces ajută la calibrarea datelor obţinute cu ajutorul senzorilor plasaţi la bordul unor avioane speciale sau plasaţi pe sateliţii care orbitează în jurul Pământului.

Fig. 2. Spectrometrul ASD TerraSpec VNIR-SWIR portabil.

Sursă de lumină artificială sau naturală – radiaţie electromagnetică

Energie reflectată

Energie emisă

Energie absorbită

Ecoterra, no. 28, 2011

97

Fig. 3. Plant Probe.

Vizualizarea răspunsului spectral al vegetaţiei sănătoase Arealele ocupate cu vegetaţie sănătoasă, neafectată de boli sau uscăciune au o intercaţiune distinctă cu energia radiantă din domeniile vizibil (roşu) şi infraroşu ale spectrului electromagnetic. În domeniul vizibil, pigmenţii plantelor verzi (mai ales clorofila) exercită o absorbţie puternică a energiei, în special datorită fotosintezei. Absorbţia maximă se realizează în benzile roşu şi albastru, ceea ce duce la aparenţa caracteristică verde a frunzelor plantelor. În domeniul infraroşu (IR) interacţiunea este diferită. Astfel energia în acest domeniu nu este folosită pentru fotosinteză, ci este puternic reflectată de structura internă a frunzelor, aceasta conducând la o reflectanţă foarte puternică în domeniul infraroşu apropiat (NIR). Reflectanţa foarte puternică rezultă datorită împrăştierii luminii la suprafaţa pereţilor celulari, prin apariţia unei schimbări în indicele de refracţie, datorită lipsei de absorbţie de pigmenti şi scăderea absorbţiei de apă în frunze. Tranziţia dintre reflectanţa joasă din banda roşie şi reflectanţa maximă din domeniul IR apropiat, este numită ‘red edge’ [3]. Poziţia ‘red edge’ este puternic influenţată de cantitatea de clorofilă din plante. Această poziţie poate fi determinată prin calcularea poziţiei punctului de inflexiune în curba de reflectanţă, între 690 şi 720 nm. La vegetaţia sănătoasă valorile reflectanţei în IR sunt ridicate şi sunt scăzute în banda roşie (fig. 4).

Vizibil IR apropiat IR scurt

(pigmenţi) (structura internă, (chimia foliară şi apa) celulară a frunzei)

Fig. 4. Răspunsul spectral pentru vegetaţia sănătoasă.

Benzile de absorbţie a clorofilei

Red edge

Benzile de absorbţie a apei

Ecoterra, no. 28, 2011

98

Acest contrast puternic între cantitatea de energie reflectată în domeniile roşu şi infraroşu ale spectrului electromagnetic reprezintă baza dezvoltării unor indici cantitativi de vegetaţie utilizând imagini satelitare. Aceşti indici sunt utilizaţi în monitorizarea stresului vegetaţiei. În domeniul IR scurt au loc puternice absorbţii de apă din atmosferă în frunze.

Vizualizarea răspunsului spectral al vegetaţiei stresate Vegetaţia stresată va avea un conţinut mai scăzut de clorofilă, de aceea va produce o semnătură spectrală diferită de cea a vegetaţiei sănătoase (fig. 5). Stresul vegetaţiei se măsoară prin abruptul liniei “red edge”, care este diferenţa dintre spectrul vizibil şi IR apropiat. Vegetaţia sănătoasă prezintă un abrupt foarte pronunţat, iar cea stresată afişează o pantă mai puţin abruptă. De asemenea, apar modificări la nivelul compuşilor de bază din plante: proteine, lignină, celuloză. În cazul vegetaţiei stresate, uscate, nu mai are loc procesul de absorbţie de apă datorită legăturilor organice din biochimia plantelor. La acest aspect participă şi proteinele, lignina şi celuloza. În mod normal, vegetaţia stresată ar trebui sa aibă un conţinut mai scăzut de clorofilă. Orice factori externi de stres pentru vegetaţie (daune, secetă, poluare) vor duce la atenuarea clorofilei. Aceşti factori pot fi detectaţi de senzori care pot monitoriza stresul vegetaţiei. Există însă studii care atestă faptul că reflectanţa frunzelor în domeniul vizibil (475nm, 550nm, 660nm) creşte, iar reflectanţa în domeniul IR (850nm, 1600nm, 2200 nm) scade atunci când concentraţiile de metale grele din plante creşte [2].

Vizibil IR apropiat IR scurt (pigmenţi) (structura internă, (chimia foliară şi apă) celulară a frunzei)

Fig. 5. Răspunsul spectral pentru vegetaţia sănătoasă şi vegetaţia stresată şi modificări ale diverşilor compuşi de bază.

Importanţa spectrometriei non imagistice de teren Spectrometria non imagistică de teren este o metodă destul de utilizată internaţional în diferite domenii de cercetare, deoarece reprezintă o metodă foarte bună de obţinere a datelor şi informaţiilor într-un timp foarte scurt şi cu o foarte bună precizie. Domeniile de studiu în care se aplică această metodă de cercetare sunt: agricultura - în identificarea unor factori de stres asupra

Clorofilă şi alţi pigmenţi

Red edge

Proteină,lignină,celuloză

apă

Ecoterra, no. 28, 2011

99

culturilor, silvicultura - în monitorizarea dezvoltării arborilor, geologie - în identificarea anumitor tipuri de minerale din roci (ex. minerale cu potenţial acid), pedologie - în studiul unor tipuri de soluri şi compoziţia acestora, în industria farmaceutică şi medicină în identificarea anumitor compuşi şi controlul calităţii şi chiar în studii atmosferice şi schimbări climatice.

Metodă foarte modernă în studiul calităţii mediului şi nu numai, spectrometria non imagistică de teren prezintă noi tehnologii de monitorizare şi evaluare care sunt foarte utile în domeniul teledetecţiei. Aplicaţii cum ar fi calibrarea senzorilor prin satelit sau de la bordul avioanelor speciale, dezvoltarea unor metode de achiziţie de date prin detectarea la distanţă, studii de fezabilitate realizate prin detectarea de la distanţă şi cartarea geologică, au un beneficiu foarte mare din utilizarea spectrometriei de teren. Mulţumiri Această lucrare a fost realizată cu suportul financiar al proiectului FP7-ENV-2009-1 project 244166 – ImpactMin. Unul dintre autori a fost sprijinit financiar de proiectul POSDRU CUANTUMDOC „STUDII DOCTORALE PENTRU PERFORMANŢE EUROPENE ÎN CERCETARE ŞI INOVARE” ID79407, proiect finanţat de Fondul Social European şi Guvernul României. Bibliografie 1. *** Field Spectrometry: Techniques and Instrumentation, Copyright © 2001 by Analytical Spectral Devices, Inc. 2. Horler D. N. H., Dockray M., Barber J., 1983 - The red edge of plant leaf reflectance, International Journal of Remote Sensing, 4:273-288 3. Kumar L. et al., 2001 - Imaging spectrometry and vegetation science. International Institute for Aerospace Survey and Earth Sciences (ITC) Division Agriculture, Conservation and Environment, Enschede, The Netherlands. Australian National University (ANU), Department of Forestry, Canberra, Australia. 4. Penuelas J., Filella I., 1998 - Visible and near-infrared reflectance techniques for diagnosing plant physiological status, Trends in Plant Science, 3:151-156 5. Hassan Mohamed A. A., 2002 - Environmental studies on coastal zone soils of the North Sinai peninsula (Egypt) using remote sensing techniques. Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL), Braunschweig. Date de contact Adina Laura LAZĂR: Universitatea Babeş-Bolyai din Cluj-Napoca, Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Mediului, Str. Fântânele, Nr. 30, Cluj Napoca, e-mail: marika_laura@yahoo.co.uk

Ecoterra, no. 28, 2011

100