Spectral properties of plants in the thermal infrared (2.5 - 14 um): from the chemistry to the canopy.

Este trabalho explora as propriedades óticas das plantas no infravermelho termal para avaliar como esse tipo de dado poderia ser usado em estudos de ecossistemas, tanto no laboratório, quanto no campo, ou com sensoriamento remoto, e também, para analisar vários aspectos da química de diferentes espécies. Espectros de refletância total atenuada (ATR) das folhas mostram bandas de absorção devidas às vibrações moleculares de diferentes compostos, e quando ATR de folhas frescas foi comparado com espectros de compostos padrões selecionados, foi possível relacionar bandas das folhas com bandas de celulose, cutina, sílica ( quartzo microcristalino), água e triterpeno ácido. Usando um procedimento de busca foi possível localizar espécies com características químicas semelhantes, dentro de uma biblioteca espectral. Potenciais fontes de variações foram exploradas para compreender se o ATR poderia ser usado na identificação de espécies. Variações temporais, espaciais e posicionais. Por exemplo, folhas de sol mostraram diferenças espectrais de folhas de sombra. Espectros das superfícies adaxiais quase sempre eram diferentes das abaxiais. Indivíduos da mesma espécies quase sempre mostraram espectros muito similares. Numa simulação de um estudo ecológico de campo usando ATR como ferramenta para a identificação de espécies, 82% dos indivíduos foram corretamente identificados. Imagens de microscopia de varredura (SEM) das folhas foram usadas com medidas de refletância hemisférica direcional (DHR) para estudar os efeitos da tridimensionalidade estrutural sobre o comportamento espectral. Por exemplo, estruturas formadas pelas ceras na superfície foliar podem causar atenuação das características espectrais devidas ao efeito Holblaum (de cavidade). Medidas de DHR podem ser relacionadas à emissividade pela lei de Kirchhoff (ε=1-R), e por isso é importante compreende-las, pelas informações que podem estar disponíveis por sensoriamento remoto. Para explorar os efeitos da estrutura do dossel nos espectros, medidas de emissividade foram feitas usando um espectrômetro de campo. Os dados mostram, pela primeira vez, que é possível discriminar características de emissividade espectral de plantas daquelas do ambiente ao redor. Medidas espectrais feitas com distâncias horizontais crescentes de alguns dosséis de árvores mostraram uma atenuação progressiva das características de emissividade espectral, devido ao número crescente de cavidades no campo de visão, e problemas de correção atmosférica. Apesar disso, há potencial no estudo de plantas usando sensoriamento remoto no infravermelho termal. Um sensor em plataforma de avião operando na janela atmosférica entre 8-14 m teria que ter uma alta razão sinal-ruído, e um campo de visão pequeno que permittise medidas das folhas individualmente. Métodos de calibragem e algoritmos para análises espectrais precisariam ser refinados a fim de permitir a extração das características sutis de emissividade das plantas.This work explores the thermal infrared spectral properties of plants to evaluate how such data might be used in laboratory, field, and remote sensing studies of ecosystems, and to analyze diverse chemical aspects of plant species. Attenuated total reflectance (ATR) spectra of plant leaves display absorption bands caused by the fundamental molecular vibrations of various compounds. By comparing ATR spectra of fresh leaves to reference spectra of selected pure compounds, it was possible to assign a number of leaf absorption bands related to cellulose, cutin, silica ( quartz micro-crystalline), water and acid triterpene. By using spectral search/match procedures it was possible to locate species within a database of leaf spectra that had similar chemical characteristics. Potential sources of spectral variation were explored, including temporal, spatial, and positional variations. For example, sun leaves showed spectral differences compared to shaded leaves. Spectra of adaxial leaf surfaces were commonly different from those of abaxial surfaces. Individuals of the same species consistently showed very similar spectra. In a simulated ecological study using field ATR measurements as a tool for species identification 82% of the individuals were correctly identified. Scanning electron microscope images were utilized in conjunction with directional hemispherical reflectance (DHR) measurements of leaves to study 3-dimensional structural effects on spectral behavior. For example, small-scale structures formed by waxes on a leaf surface can cause the attenuation of spectral features due to the Holblaum (cavity) effect. DHR measurements can be linked to emissivity using Kirchhoffs law (ε=1-R), and therefore are relevant to understanding the kinds of information concerning plants that may be available via remote sensing. Finally, to explore the effects of canopy structure on spectra, direct emissivity measurements were made by using a field spectrometer. The data show, for the first time, that it is possible to discriminate spectral emissivity features of plants from those of the surrounding environment. Spectral measurements made at increasing horizontal distances from several tree canopies showed progressive attenuation of the spectral emissivity features. This attenuation is ascribed to the increasing proportion of canopy voids in the instrument field of view, and to increased surface scattering effects. Errors associated with removal of atmospheric features also contributed to the loss of spectral information at greater measurement distances. Despite these problems, there is untapped potential for using thermal infrared remote sensing measurements to study plants. To be effective an airborne sensor operating in the 8-14 m atmospheric window would need high signal-to-noise and a small instantaneous field of view to enable measurements of individual leaf surfaces. Data calibration methods and spectral analysis algorithms would also require refinement to permit the extraction of subtle plant emissivity features