Blog da Aegro sobre gestão no campo e tecnologias agrícolas

Imagens NDVI: como funcionam os índices de vegetação, como são adquiridos e quais informações podem ser levantadas para auxiliar o seu cultivo

O uso de imagens de satélites têm sido cada vez mais utilizadas no levantamento de informações em áreas de produção agrícola.

As informações extraídas dessas imagens podem fornecer noções valiosas sobre a saúde da lavoura e direcionar o manejo para obtenção de resultados melhores.

Veja neste artigo como funcionam os aspectos relacionados à aquisição de imagens, informações que podem ser levantadas como os dados são interpretados. 

Saiba também de que forma estas ferramentas podem mudar a realidade da sua lavoura.

Lembre-se, na agricultura, informação é resultado! Confira a seguir.

Conceitos importantes: comportamento da radiação eletromagnética 

Para compreender como imagens e índices podem te dar respostas sobre o estado das plantas, é importante que alguns conceitos sejam comentados.

Você sabe que o sol é a principal fonte de energia do mundo. Esta energia é irradiada para todo o espaço, atingindo a terra. 

Uma parte da energia é absorvida (utilizada pelas plantas no processo de fotossíntese) e pelos objetos terrestres em geral. A outra parte é refletida de volta ao espaço.  

A energia refletida tem variação de acordo com os objetos e sua composição.

Para as plantas, a energia interage com a sua composição química (pigmentos fotossintetizantes como clorofilas, xantofilas, carotenos e água), e estrutural (organização das células).

A energia eletromagnética que incide sobre os objetos na superfície da terra (como as plantas) pode ser absorvida, transmitida, refletida e espalhada.

Absorção

A absorção da energia eletromagnética depende do estado nutricional da planta e do estádio vegetativo. Ocorre quando o pulso de radiação eletromagnética é completamente absorvido pelo alvo, convertendo-se em calor.

Em plantas saudáveis, pode-se observar que na região visível ocorre maior absorção da energia eletromagnética. Consequentemente, menor quantidade de  energia é refletida.

Além disso, também é possível observar os picos de absorção, que ocorrem nos comprimentos de onda do visível na região do azul e do vermelho.  

A menor absorção na região do verde está relacionada ao fato de uma folha verde conter pigmentos que absorvem o azul e o vermelho. Elas refletem a luz verde, sendo possível visualizar as culturas nessa coloração.

Transmissão

Ocorre quando o material é relativamente transparente para esta radiação, de forma que a radiação eletromagnética atravessará de uma extremidade à outra. 

Este fato explica a transparência da água pura e de um vidro, por exemplo.

Nas plantas, a transmissão é responsável pela incidência da energia eletromagnética para as demais camadas do dossel vegetativo.

Reflexão

É responsável pela visualização dos objetos. Dependendo da composição química, parte da energia eletromagnética será absorvida e parte será refletida. 

No caso dos tecidos vegetais, uma folha verde e sadia reflete grandes quantidades de energia eletromagnética na faixa do infravermelho. 

Isso acontece devido às suas estruturas vegetais, especialmente a configuração e proporção de água contida nas folhas.

Por isso, folhas secas, com restrição hídrica ou atacadas por pragas e doenças, possuem menor reflectância na região do infravermelho próximo. 

Além disso, a rugosidade ou relevo dos objetos também terá influência na energia refletida.

NDVI e a energia eletromagnética

Quando a luz ou radiação eletromagnética incide nos objetos, ela poderá ser absorvida, refletida, transmitida ou espalhada em diferentes regiões do espectro eletromagnético. 

Posteriormente, você pode realizar cálculos como o NDVI para obter informações sobre o seu estado.

Os cálculos dos índices de vegetação, especialmente o NDVI, devem ser cruzados com informações reais da lavoura e podem ser comparados ao longo dos anos.

Eles compreendem eventos climáticos e manejos adotados, a fim de melhorar os resultados econômicos.

Servem como indicativo de problemas localizados e podem ser usados na estimativa da biomassa e produção das culturas.

São extremamente importantes, porque pequenas alterações (que podem provocar redução da produtividade de uma cultura) normalmente não podem ser detectadas a olho nu em fotografias comuns sem o processamento.

Espectro eletromagnético

As diferentes radiações produzidas pelo sol podem ser classificadas em faixas de comprimentos de onda: o espectro eletromagnético.

Esta radiação é transportada pelo vácuo do sol até a terra, e passa a interagir com diversos constituintes atmosféricos. É absorvida, espalhada e refletida por gases e objetos terrestres.

Para o cálculo de imagens NDVI, a região do visível e do infravermelho próximo são utilizadas. Veja as faixas espectrais destas regiões e quais aspectos estão relacionadas nas respostas obtidas:

gráfico de espectro eletromagnético

Espectro eletromagnético
(Fonte: Moreira (2007))

Região do visível (0,4 𝝁m a 0,72 𝝁m):

Nesta região, pigmentos constituintes dos tecidos das folhas dominam a reflectância (quantidade de energia que é refletida e posteriormente detectada pelo sensor). 

Os pigmentos presentes nos tecidos das plantas absorvem a energia incidente na região do azul e vermelho, utilizadas na fotossíntese. 

Região do infravermelho próximo (0,72 𝝁m a 1,1 𝝁m):

A absorção pelos tecidos foliares é baixa nesta região.

A energia incidente é refletida ou espalhada em função da configuração interna das células (como o mesófilo foliar) e da quantidade de água interna nos tecidos.

A vegetação reflete grande quantidade de energia, e esta energia refletida é bem correlacionada ao volume de biomassa produzida pelas plantas. 

Quanto maior a quantidade de biomassa, maior interação com as estruturas internas dos tecidos vegetais e maior reflexão.

Região do infravermelho médio (1,1 𝝁m a 3,2 𝝁m):

A vegetação verde possui baixa reflectância da energia. Esse comportamento é influenciado pela concentração de água nos tecidos, que ocorre com maior intensidade em 1.4, 1.9 e 2.7 μm.

Interação da radiação eletromagnética com dosséis vegetativos

Você verá na próxima figura que diferentes respostas podem ser observadas em relação ao ciclo e saúde das plantas.

O comportamento espectral de uma folha sadia verde e amarela é semelhante na região do infravermelho próximo, em que ambas refletem grandes quantidades de energia incidente (superior a 70%).

Porém, na região do visível, é possível observar que diferente da folha saudável, a folha amarela não possui os picos de absorção da clorofila na região do azul e vermelho.

Como consequência, não reflete na região do verde, uma vez que o conteúdo de clorofila é baixo ou inexistente.

Na região do visível pode ser observado o mesmo para as folhas vermelhas em senescência e para as folhas marrons, já mortas. Isso porque em ambas a clorofila já foi degradada.

Em cultivos, a reflectância para folhas saudáveis é alta na região do infravermelho.

Em dosséis das culturas, essas diferenças podem ser estimadas, verificando o desempenho da cultura e a necessidade de ajustes, sejam de aplicação de fertilizantes ou controle fitossanitário. 

Em relação às diferentes espécies, a distinção é possível pois há padrões que se alteram em função de sua composição e estrutura.

Comportamento espectral de uma folha amarela, vermelha, verde e marrom nos diferentes comprimentos de onda, região do visível (400 a 700 nm) e na região do infravermelho próximo IR)

Comportamento espectral de uma folha amarela, vermelha, verde e marrom nos diferentes comprimentos de onda, região do visível (400 a 700 nm) e na região do infravermelho próximo IR)
(Fonte: Jensen (2000))

Comportamento espectral dos alvos

Logo após o estande de uma lavoura, as respostas espectrais são influenciadas pelo crescimento da biomassa. 

Plantas pequenas, menores valores de NDVI. Além disso, o solo e plantas invasoras presentes também influenciam nesta resposta.

Solos expostos, manchas de lixiviação de nutrientes ou até mesmo erosão, falhas de aplicação de inseticidas e fungicidas são facilmente identificadas através do NDVI.

Plantas menos vigorosas ou sob ataque de pragas e doenças, estresses nutricionais e hídricos também apresentam menores valores de NDVI, quando comparadas a plantas sadias.

No estágio inicial de uma lavoura, locais com falhas podem ser identificados e você pode investigar rapidamente a qual fator estão relacionadas.

A figura abaixo e a anterior ilustram o comportamento espectral típico de diferentes alvos. 

Comportamento espectral de uma folha verde, seca e do solo nos diferentes comprimentos de onda, região do visível (B - azul, G - verde e R - vermelho), e na região do infravermelho próximo (IR)

Comportamento espectral de uma folha verde, seca e do solo nos diferentes comprimentos de onda, região do visível (B – azul, G – verde e R – vermelho), e na região do infravermelho próximo (IR)
(Fonte: Inpi)

Princípios físicos e padrões de cores das imagens NDVI

A diferença entre os sensores utilizados na agricultura são as faixas do espectro eletromagnético que estes sensores imageadores são capazes de capturar. 

O NDVI utiliza em seu cálculo a refletividade da região do visível e do infravermelho próximo. Dessa forma, os sensores para utilização nesses cálculos precisam obrigatoriamente ser capazes de cobrir esta faixa espectral.

Sensores RGB (que capturam na região do visível), como os presentes em câmeras fotográficas comuns e aparelhos celulares, não podem ser empregados para este fim.

Além disso, a qualidade das informações obtidas por estes sensores está relacionada ainda a diferentes resoluções, como a resolução espacial, espectral, radiométrica e temporal.

Resolução espacial

Auxilia na identificação das formas, tamanhos e texturas. Quanto maior a resolução espacial, menor o tamanho dos pixels (área imageada).

Baixa resolução: pixel grande; alta resolução: pixel pequeno.

Uma imagem é formada por um conjunto de pixels (por exemplo, de 50 por 50 metros, variável de acordo com o sensor e resolução).

Resolução espectral

Corresponde às bandas ou faixas do espectro eletromagnético em que o sensor é capaz de adquirir uma imagem.

Por exemplo, um sensor é capaz de realizar o imageamento de uma área com resolução de 11 faixas do espectro. 

Na região do visível, os valores oscilam de 400 a 732 nm. Logo, nesta faixa, para cada intervalo existem inúmeras bandas espectrais (intervalo de valores).

Quanto maior o número de bandas, maior é a resolução espectral. É relacionado à capacidade de distinção da composição química dos tecidos.

Resolução radiométrica

Capacidade do sensor em registrar níveis de cinza. Esta quantidade é normalmente medida em número de bits (2n. N corresponde ao número de bits da imagem).

Quando (n) assume o valor de 6, por exemplo, teremos 64 bits ou níveis de cinza, onde o branco corresponde ao valor máximo e 0 à coloração preta.

Quanto maiores os níveis de cinza ou intervalos de bits, maior o detalhamento das imagens.

Resolução temporal

Diz respeito ao número de imagens que podem ser adquiridas ao longo do tempo.

Quando falamos de VANTs (Veículos Aéreos Não Tripulados) ou aeronaves, e até mesmo sensores portáteis, essa resolução pode ser no momento em que o técnico considerar necessário, se as condições ambientais forem favoráveis. 

Além disso, é possível realizar diversas aquisições, em intervalos de horas ou dias.

Já os sensores orbitais possuem resolução temporal fixa. Ou seja, o tempo de nova passagem e imageamento de uma área é fixo.

Ele pode sofrer interferências de condições ambientais, como grande presença de nuvens (em alguns casos, o processamento de imagens pode corrigir essa interferência).

Padrões de cores do NDVI

O NDVI não possui uma paleta de cores fixa, embora a maioria dos programas assuma coloração vermelha para áreas com pouca vegetação ou de solo exposto, e coloração verde para áreas de intensa vegetação.

Cores verdes intensas representam maior NDVI, ou seja, plantas mais vigorosas.

Com a diminuição do NDVI, os tons de verde diminuem, e adquirem coloração verde-claro, amarelo, bege, laranja e por fim vermelho, indicando falta de vegetação ou solo exposto.

Quais problemas no dia a dia da lavoura as imagens NDVI conseguem identificar?

Agora que você já entendeu um pouco mais sobre como a radiação emitida pelo sol interage com os dosséis vegetativos, por quais sensores as imagens podem ser adquiridas e quais as resoluções importantes, vamos à prática.

Diversos estudos já identificaram as alterações das respostas dos índices de vegetação ao longo do ciclo de diferentes culturas, incluindo soja e milho.

Essas ferramentas podem te dar informações acerca das condições fenológicas da cultura. Desta forma, você pode planejar tratos culturais mais assertivos, como aplicação de fertilizantes, irrigação e tratos fitossanitários.

Os índices, especialmente imagens NDVI, podem te fornecer informações sobre o ciclo total das culturas, além de poder estimar a produção e rendimento delas.

Essas informações permitem que você estabeleça estratégias de comercialização e regulação de suprimentos. 

Veja o exemplo da figura abaixo: em uma área de 582 hectares, sem o auxílio das estimativas do NDVI, seria difícil identificar precisamente os problemas. Desta forma, você pode investigar de modo localizado.

Exemplo de área com problema identificado pelas imagens NDVI  no software de gestão rural Aegro

Exemplo de área com problema identificado pelas imagens NDVI 
(Fonte: imagens ilustrativas do Aegro)

Comportamento típico do NDVI durante o ciclo de cultivo da soja

O NDVI apresenta valores próximos 0,4 no início de novembro, coincidindo com o período em que são realizados manejos de preparo de solo e pré-plantio, com dessecação das áreas.

Posteriormente, há acentuado aumento no período que compreende o final do mês de novembro (0,4) até o final do mês de fevereiro (0,8), período em que a cultura encontra-se em pleno desenvolvimento vegetativo

Valores máximos de NDVI são encontrados geralmente na fase de floração (0,823), que se inicia entre final de janeiro e final de fevereiro, período onde há máxima biomassa vegetal da cultura. Nessa fase ocorre saturação do NDVI.

Após a floração, começa o decréscimo acentuado do NDVI, relacionado ao enchimento de grãos. 

O estádio de maturidade fisiológica da cultura ocorre após o final do enchimento de grãos (final de março e início de abril), com leve decréscimo do NDVI após a maturação, pela perda das folhas e senescência total das plantas. 

Após a maturação, começa novamente o aumento do NDVI pelo crescimento vegetativo de outras plantas e até mesmo de plantas de soja, oriundas dos grãos perdidos durante a colheita.

Imagens após o processamento e cálculo do NDVI em diferentes datas, demonstrando a evolução de uma área de cultivo de arroz, soja e milho. NDVI próximo de 1, indica saturação do índice, ou seja, crescimento máximo detectável da biomassa vegetal. Quanto maior o NDVI, mais vigorosas as plantas estão

Imagens após o processamento e cálculo do NDVI em diferentes datas, demonstrando a evolução de uma área de cultivo de arroz, soja e milho. NDVI próximo de 1, indica saturação do índice, ou seja, crescimento máximo detectável da biomassa vegetal. Quanto maior o NDVI, mais vigorosas as plantas estão
(Fonte: Lady, 2020)

NDVI na cultura do milho

Em diversos estudos, o NDVI tem se mostrado o índice de vegetação que explica de forma mais fácil as mudanças ao longo do tempo em uma área de cultivo.

Abaixo, você verá uma imagem de cores verdadeiras, adquirida por um satélite. 

Nela, é possível observar os pivôs de irrigação da área de cultivo, porém sem que se possa entender o que está de fato ocorrendo em relação ao crescimento da cultura.

Imagem colorida de uma área de cultivo de milho sob pivôs de irrigação

Imagem colorida de uma área de cultivo de milho sob pivôs de irrigação
(Fonte: Bertolin et al., 2017)

Na figura seguinte, é demonstrado o perfil temporal do NDVI da área de cultivo. São realizadas imagens ao longo do crescimento e desenvolvimento da lavoura.

Nela é possível identificar falhas nos pivôs de irrigação. Além disso, no primeiro quadrante esquerdo, no terceiro pivô, você verá que as bordas do pivô apresentam coloração clara, indicando um possível problema.

Os autores do estudo atribuíram essas falhas à ocorrência de uma doença de solo, causadora do tombamento da cultura (Pythium spp.). 

Além disso, foi possível estimar a produtividade da cultura do milho de forma satisfatória.

Imagens após o processamento e cálculo do NDVI em diferentes datas, demonstrando a evolução de uma área de cultivo de milho sob pivôs de irrigação

Imagens após o processamento e cálculo do NDVI em diferentes datas, demonstrando a evolução de uma área de cultivo de milho sob pivôs de irrigação
(Fonte: Bertolin et al., 2017)

Como conseguir mapas de NDVI com software de gestão

Para tomar decisões ainda mais estratégicas na lavoura, você pode integrar mapas NDVI ao seu aplicativo de gestão rural.

No Aegro, as imagens de satélite ficam atreladas ao histórico de manejo dos talhões. Assim, é possível acompanhar a evolução da safra e identificar claramente o impacto que as suas atividades têm sobre a saúde da plantação.

Mapas NDVI oferecidos pelo Aegro que podem ajudar a identificar problemas como falhas na semeadura, área com cores em amarelo e verde

Mapas NDVI oferecidos pelo Aegro podem ajudar a identificar problemas como falhas na semeadura

Quando o NDVI indica problemas, você consegue consultar informações da área em alguns cliques, como por exemplo: pragas e doenças encontradas, insumos utilizados ou a data em que foi realizada a última operação.

captura de tela com Índice de vegetação visualizado no Aegro que aponta área com erosão

Índice de vegetação visualizado no Aegro aponta área com erosão

Além disso, o Aegro permite que você faça observações georreferenciadas nos pontos problemáticos do mapa para orientar visitas do seu agrônomo ou operadores de campo.

O que acha de contar com esses recursos na sua fazenda? Conheça a solução Aegro para mapas NDVI!

Conclusão

Neste artigo, você viu além dos conceitos importantes para entender como é possível a aquisição de informações sobre os cultivos através das imagens e posterior processamento.

Você também entendeu um pouco mais como imagens NDVI podem fornecer informações importantes na tomada de decisão.

Diferente do que muitos agricultores pensam, o NDVI pode ser facilmente utilizado a partir de softwares como o Aegro, de forma rápida, possibilitando uma gestão mais assertiva na sua lavoura.

Lembre que o levantamento de informações da sua lavoura, ao longo do tempo, é extremamente importante para a melhoria dos resultados econômicos e entendimento dos fatores que afetam e podem ser melhorados na fazenda.

>>Leia mais:

“Como o mapeamento de fertilidade do solo pode gerar economia na fazenda”

“GPS agrícola: os melhores tipos para ter na sua fazenda”

“5 tecnologias que vão deixar sua fazenda mais inteligente e rentável”

Restou alguma dúvida sobre os princípios de funcionamento e interpretação das informações das imagens NDVI? Deixe seu comentário para a gente!