As técnicas de sensoriamento remoto têm evoluído dentro da ciência do solo visando superar as limitações de tempo e custo das análises químicas tradicionalmente utilizadas para quantificação de atributos do solo. As análises espectrais há muito tempo têm provado serem alternativas para complementar às análises tradicionais, sendo consideradas atualmente uma técnica consolidada e de ampla utilização. Os estudos em pedologia espectral têm utilizado os comprimentos de onda entre 350 a 25000 nm, porém, têm se detido com mais frequência na região de 350 a 2500 nm, a qual é dividida em Visível (VIS - 350 a 700 nm), infravermelho próximo (NIR - 700 a 1000 nm), e infravermelho de ondas curtas (SWIR - 1000 até 2500 nm). A exemplo das técnicas laboratoriais tradicionalmente utilizadas em análises de solos, faz-se necessário estabelecer padrões visando a comunicação científica a nível mundial em espectroscopia de solos. Com vista ao futuro da espectroscopia de solos, desenvolveu-se este estudo afim de se avaliar o efeito do uso de amostras padrões na aquisição de dados espectrais de amostras de solos tropicais em três diferentes geometrias de aquisição em três espectrorradiômetros (350 - 2.500 nm). 97 amostras de solos registrados na Biblioteca Espectral de Solos do Brasil (BESB) provenientes do Estado do Mato Grosso do Sul, cedidas pelo projeto AGSPEC foram utilizadas no estudo e duas amostras mestre brancas utilizadas como padrões de referência, sendo estas oriundas das dunas das praias de Wylie Bay (WB - 99 % quartzo) e Lucky Bay (LB - 90 % quartzo e 10 % aragonita), no sudoeste da Austrália. Para avaliar a padronização, as morfologias das curvas espectrais foram observadas quanto curvatura, feições, albedo; complementando as observações descritivas, as diferenças de reflectância entre os tratamentos utilizados (Sensor x Geometria x Correção) foram estudadas pela análise de variância e pelo teste de Tukey a 5 % de significância em três bandas espectrais médias (VIS-NIR-SWIR); e a modelagem para quantificação de teores de argila por meio da regressão por mínimos quadrados parciais (\"partial least squares regression\", PLSR), com validação cruzada (Cross Validation) para cada configuração e outra simulando uma biblioteca espectral mista, composta por combinações entre as configurações. O método de padronização proposto reduz as diferenças entre espectros obtidos em diferentes sensores e geometrias. A predição de argila por uma biblioteca espectral utilizando dados com diferentes configurações é favorecida pela padronização, passando de um de 0,83 para um de 0,85 após a correção, indicando a validade da unificação dos espectros pela técnica proposta. / Remote sensing techniques have evolved within the soil science aiming to overcome time and cost limitations of chemical analysis traditionally used for quantification of soil properties. Spectral analysis have long proven to be alternatives to supplement traditional analysis, currently being considered a mature technique and widely applied. Studies on spectral pedology have used the wavelength between 350 to 25000 nm, however, have held more often in the region of 350 to 2500 nm, which is divided into visible (VIS - 350 to 700 nm), near infrared ( NIR - 700 to 1000 nm) and short wave infrared (SWIR - 1000 to 2500 nm). As traditional laboratory techniques used in soil analysis, it is necessary to establish standards aimed at worldwide scientific communication in soils spectroscopy. Going forward soil spectroscopy, this study was developed in order to evaluate the effect of using standard samples in the acquisition of spectral data of tropical soil in three different geometries acquisition in three spectroradiometers (350-2500 nm). 97 soil samples documented in Brazilian Soils Spectral Library (BESB) from Mato Grosso do Sul State, provided by the AGSPEC project were used in the study and two white master samples used as reference standards, which are from the beaches dunes of Wylie Bay (WB - 99% quartz) and Lucky Bay (LB - 90% quartz and 10% aragonite) in southwestern Australia. To judge the standardization, the morphologies of the spectral curves were observed for curvature, absorption features, albedo; complementing the descriptive observations, the reflectance differences between the configurations (Sensor x Geometry x Correction) were studied by analysis of variance and Tukey test at 5% significance in three average spectral bands (VIS-NIR-SWIR); and modelling for quantification of clay through regression by partial least squares (PLSR) with cross-validation for each configuration and another simulating a mixed spectral library, consisting of combinations of situations. The method proposed standardization reduces differences between spectra obtained from different sensors and geometries. The prediction of clay by a spectral library using data with different settings is favoured to standardize, from R² of 0.83 to 0.85 after correction, indicating the validity of the unification of the spectra by the proposed technique.

A crescente demanda do mercado mundial em aumentar a produção agrícola e minimizar danos ambientais confere crescente relevância à agricultura de precisão, para a qual a Geoinformação é uma importante ferramenta. Diferentes dados provenientes de imagem de sensores orbitais e terrestres têm sido utilizados para o monitoramento agrícola em escalas local, regional e global. Neste contexto, e focalizando esta percepção à viticultura, o objetivo deste estudo é avaliar o comportamento espectral de diferentes cultivares de videiras ao longo do ciclo fenológico, dando suporte para realização da discriminação espectral das variedades e o mapeamento da variação espacial do vigor vegetativo dentro da parcela. Para o desenvolvimento da pesquisa proposta o trabalho foi dividido em duas etapas. A primeira investigação consistiu em um estudo realizado em vinhedos da região de Borgonha na França, onde foram estudadas as variedades de uva Chardonnay e Pinot Noir. O trabalho teve como pressuposto verificar se as categorias de qualidade que definem os vinhedos e são transmitidas a partir do solo ao vinho são igualmente transmitidas às folhas das videiras, e se estas podem ser detectadas na informação espectral de imagens de satélites ASTER. Os resultados obtidos mostraram ser possível esta discriminação e instigaram novos estudos mais detalhados que foram conduzidos em vinhedos da Vinícola Geisse, localizada na Serra Gaúcha, realizados a partir de dados de radiometria de campo e imagens orbitais. Novamente foram investigadas as variedades viníferas Chardonnay e Pinot Noir, monitoradas ao longo de duas safras. As medições de campo foram realizadas com um radiômetro FieldSpec Pro. Também foram usados dados orbitais provenientes do sensor WorldView-2. Dados de campo e orbitais apresentaram relações consistentes, e mostraram ser possível discriminar as variedades através de suas características espectrais. A alta relação sinal/ruído dos dados de campo permitiu detectar diferenças consistentes e sistemáticas nos comprimentos de onda do verde e vermelho, atribuídas à presença de pigmentos como as antocianinas. O monitoramento da dinâmica espectral do ciclo fenológico revelou feições espectrais consistentes nos comprimentos de onda do infravermelho atribuídas ao período de senescência da videira. A espacialização dos dados de vigor vegetativo, obtidos através de índices de vegetação (NDVI) permitiu a setorização de áreas com diferentes potenciais enológicos. / The growing demand of world markets to increase agricultural production and to minimize environmental impacts puts the Geoinformation as an important tool of precision agriculture. Several sets of data of images from orbital and ground sensors have been used for agricultural monitoring at local, regional and global scales. In this context, focusing this perception to viticulture, the aim of this study was to evaluate the spectral comportment of different grapevine cultivars along of phenological cycle, giving support to realization of spectral discrimination of varieties and the mapping of the spatial variation of vegetative vigor within the plot. For the development of this project, our research was divided into two stages. The first research consisted in a study of vineyards of the Burgundy region in France, where the studied grape varieties were Chardonnay and Pinot Noir. The work was to verify the assumption that the quality categories that define the vineyards and are transmitted from the soil to wine are also transmitted to the leaves of the vines, and these can be detected in the spectral information contained in ASTER satellite images. Results showed that this discrimination is indeed possible, and lead to the second part of the project, with new and more detailed studies, which were performed in the vineyards of Geisse Winery, located in the Serra Gaúcha region, Brazil, based on field radiometry and orbital images. The same grape varieties Chardonnay and Pinot Noir grapes were again investigated. Field measurements were performed with a radiometer FieldSpec Pro. The investigation was made on two vine plots, based on a selection of plants of the Chardonnay and Pinot Noir, which were monitored over two growing seasons. Orbital data were from the WorldView-2 sensor. Field and orbital data showed consistent relations and showed that it is possible to distinguish the varieties by their spectral characteristics. The high relation signal/noise of field data allowed detecting consistent and systematic spectral features at red and green wavelengths, thought to be linked to the presence of pigments such as anthocyanins. The monitoring of spectral dynamics during the phenological cycle revealed consistent spectral features in infrared wavelengths assigned to the vine senescence period. The spatial distribution of vegetative vigor data obtained from the vegetation index (NDVI) allowed the sectorization of areas with different enological potentials.

As técnicas de sensoriamento remoto têm evoluído dentro da ciência do solo visando superar as limitações de tempo e custo das análises químicas tradicionalmente utilizadas para quantificação de atributos do solo. As análises espectrais há muito tempo têm provado serem alternativas para complementar às análises tradicionais, sendo consideradas atualmente uma técnica consolidada e de ampla utilização. Os estudos em pedologia espectral têm utilizado os comprimentos de onda entre 350 a 25000 nm, porém, têm se detido com mais frequência na região de 350 a 2500 nm, a qual é dividida em Visível (VIS - 350 a 700 nm), infravermelho próximo (NIR - 700 a 1000 nm), e infravermelho de ondas curtas (SWIR - 1000 até 2500 nm). A exemplo das técnicas laboratoriais tradicionalmente utilizadas em análises de solos, faz-se necessário estabelecer padrões visando a comunicação científica a nível mundial em espectroscopia de solos. Com vista ao futuro da espectroscopia de solos, desenvolveu-se este estudo afim de se avaliar o efeito do uso de amostras padrões na aquisição de dados espectrais de amostras de solos tropicais em três diferentes geometrias de aquisição em três espectrorradiômetros (350 - 2.500 nm). 97 amostras de solos registrados na Biblioteca Espectral de Solos do Brasil (BESB) provenientes do Estado do Mato Grosso do Sul, cedidas pelo projeto AGSPEC foram utilizadas no estudo e duas amostras mestre brancas utilizadas como padrões de referência, sendo estas oriundas das dunas das praias de Wylie Bay (WB - 99 % quartzo) e Lucky Bay (LB - 90 % quartzo e 10 % aragonita), no sudoeste da Austrália. Para avaliar a padronização, as morfologias das curvas espectrais foram observadas quanto curvatura, feições, albedo; complementando as observações descritivas, as diferenças de reflectância entre os tratamentos utilizados (Sensor x Geometria x Correção) foram estudadas pela análise de variância e pelo teste de Tukey a 5 % de significância em três bandas espectrais médias (VIS-NIR-SWIR); e a modelagem para quantificação de teores de argila por meio da regressão por mínimos quadrados parciais (\"partial least squares regression\", PLSR), com validação cruzada (Cross Validation) para cada configuração e outra simulando uma biblioteca espectral mista, composta por combinações entre as configurações. O método de padronização proposto reduz as diferenças entre espectros obtidos em diferentes sensores e geometrias. A predição de argila por uma biblioteca espectral utilizando dados com diferentes configurações é favorecida pela padronização, passando de um de 0,83 para um de 0,85 após a correção, indicando a validade da unificação dos espectros pela técnica proposta. / Remote sensing techniques have evolved within the soil science aiming to overcome time and cost limitations of chemical analysis traditionally used for quantification of soil properties. Spectral analysis have long proven to be alternatives to supplement traditional analysis, currently being considered a mature technique and widely applied. Studies on spectral pedology have used the wavelength between 350 to 25000 nm, however, have held more often in the region of 350 to 2500 nm, which is divided into visible (VIS - 350 to 700 nm), near infrared ( NIR - 700 to 1000 nm) and short wave infrared (SWIR - 1000 to 2500 nm). As traditional laboratory techniques used in soil analysis, it is necessary to establish standards aimed at worldwide scientific communication in soils spectroscopy. Going forward soil spectroscopy, this study was developed in order to evaluate the effect of using standard samples in the acquisition of spectral data of tropical soil in three different geometries acquisition in three spectroradiometers (350-2500 nm). 97 soil samples documented in Brazilian Soils Spectral Library (BESB) from Mato Grosso do Sul State, provided by the AGSPEC project were used in the study and two white master samples used as reference standards, which are from the beaches dunes of Wylie Bay (WB - 99% quartz) and Lucky Bay (LB - 90% quartz and 10% aragonite) in southwestern Australia. To judge the standardization, the morphologies of the spectral curves were observed for curvature, absorption features, albedo; complementing the descriptive observations, the reflectance differences between the configurations (Sensor x Geometry x Correction) were studied by analysis of variance and Tukey test at 5% significance in three average spectral bands (VIS-NIR-SWIR); and modelling for quantification of clay through regression by partial least squares (PLSR) with cross-validation for each configuration and another simulating a mixed spectral library, consisting of combinations of situations. The method proposed standardization reduces differences between spectra obtained from different sensors and geometries. The prediction of clay by a spectral library using data with different settings is favoured to standardize, from R² of 0.83 to 0.85 after correction, indicating the validity of the unification of the spectra by the proposed technique.

A crescente demanda do mercado mundial em aumentar a produção agrícola e minimizar danos ambientais confere crescente relevância à agricultura de precisão, para a qual a Geoinformação é uma importante ferramenta. Diferentes dados provenientes de imagem de sensores orbitais e terrestres têm sido utilizados para o monitoramento agrícola em escalas local, regional e global. Neste contexto, e focalizando esta percepção à viticultura, o objetivo deste estudo é avaliar o comportamento espectral de diferentes cultivares de videiras ao longo do ciclo fenológico, dando suporte para realização da discriminação espectral das variedades e o mapeamento da variação espacial do vigor vegetativo dentro da parcela. Para o desenvolvimento da pesquisa proposta o trabalho foi dividido em duas etapas. A primeira investigação consistiu em um estudo realizado em vinhedos da região de Borgonha na França, onde foram estudadas as variedades de uva Chardonnay e Pinot Noir. O trabalho teve como pressuposto verificar se as categorias de qualidade que definem os vinhedos e são transmitidas a partir do solo ao vinho são igualmente transmitidas às folhas das videiras, e se estas podem ser detectadas na informação espectral de imagens de satélites ASTER. Os resultados obtidos mostraram ser possível esta discriminação e instigaram novos estudos mais detalhados que foram conduzidos em vinhedos da Vinícola Geisse, localizada na Serra Gaúcha, realizados a partir de dados de radiometria de campo e imagens orbitais. Novamente foram investigadas as variedades viníferas Chardonnay e Pinot Noir, monitoradas ao longo de duas safras. As medições de campo foram realizadas com um radiômetro FieldSpec Pro. Também foram usados dados orbitais provenientes do sensor WorldView-2. Dados de campo e orbitais apresentaram relações consistentes, e mostraram ser possível discriminar as variedades através de suas características espectrais. A alta relação sinal/ruído dos dados de campo permitiu detectar diferenças consistentes e sistemáticas nos comprimentos de onda do verde e vermelho, atribuídas à presença de pigmentos como as antocianinas. O monitoramento da dinâmica espectral do ciclo fenológico revelou feições espectrais consistentes nos comprimentos de onda do infravermelho atribuídas ao período de senescência da videira. A espacialização dos dados de vigor vegetativo, obtidos através de índices de vegetação (NDVI) permitiu a setorização de áreas com diferentes potenciais enológicos. / The growing demand of world markets to increase agricultural production and to minimize environmental impacts puts the Geoinformation as an important tool of precision agriculture. Several sets of data of images from orbital and ground sensors have been used for agricultural monitoring at local, regional and global scales. In this context, focusing this perception to viticulture, the aim of this study was to evaluate the spectral comportment of different grapevine cultivars along of phenological cycle, giving support to realization of spectral discrimination of varieties and the mapping of the spatial variation of vegetative vigor within the plot. For the development of this project, our research was divided into two stages. The first research consisted in a study of vineyards of the Burgundy region in France, where the studied grape varieties were Chardonnay and Pinot Noir. The work was to verify the assumption that the quality categories that define the vineyards and are transmitted from the soil to wine are also transmitted to the leaves of the vines, and these can be detected in the spectral information contained in ASTER satellite images. Results showed that this discrimination is indeed possible, and lead to the second part of the project, with new and more detailed studies, which were performed in the vineyards of Geisse Winery, located in the Serra Gaúcha region, Brazil, based on field radiometry and orbital images. The same grape varieties Chardonnay and Pinot Noir grapes were again investigated. Field measurements were performed with a radiometer FieldSpec Pro. The investigation was made on two vine plots, based on a selection of plants of the Chardonnay and Pinot Noir, which were monitored over two growing seasons. Orbital data were from the WorldView-2 sensor. Field and orbital data showed consistent relations and showed that it is possible to distinguish the varieties by their spectral characteristics. The high relation signal/noise of field data allowed detecting consistent and systematic spectral features at red and green wavelengths, thought to be linked to the presence of pigments such as anthocyanins. The monitoring of spectral dynamics during the phenological cycle revealed consistent spectral features in infrared wavelengths assigned to the vine senescence period. The spatial distribution of vegetative vigor data obtained from the vegetation index (NDVI) allowed the sectorization of areas with different enological potentials.

A crescente demanda do mercado mundial em aumentar a produção agrícola e minimizar danos ambientais confere crescente relevância à agricultura de precisão, para a qual a Geoinformação é uma importante ferramenta. Diferentes dados provenientes de imagem de sensores orbitais e terrestres têm sido utilizados para o monitoramento agrícola em escalas local, regional e global. Neste contexto, e focalizando esta percepção à viticultura, o objetivo deste estudo é avaliar o comportamento espectral de diferentes cultivares de videiras ao longo do ciclo fenológico, dando suporte para realização da discriminação espectral das variedades e o mapeamento da variação espacial do vigor vegetativo dentro da parcela. Para o desenvolvimento da pesquisa proposta o trabalho foi dividido em duas etapas. A primeira investigação consistiu em um estudo realizado em vinhedos da região de Borgonha na França, onde foram estudadas as variedades de uva Chardonnay e Pinot Noir. O trabalho teve como pressuposto verificar se as categorias de qualidade que definem os vinhedos e são transmitidas a partir do solo ao vinho são igualmente transmitidas às folhas das videiras, e se estas podem ser detectadas na informação espectral de imagens de satélites ASTER. Os resultados obtidos mostraram ser possível esta discriminação e instigaram novos estudos mais detalhados que foram conduzidos em vinhedos da Vinícola Geisse, localizada na Serra Gaúcha, realizados a partir de dados de radiometria de campo e imagens orbitais. Novamente foram investigadas as variedades viníferas Chardonnay e Pinot Noir, monitoradas ao longo de duas safras. As medições de campo foram realizadas com um radiômetro FieldSpec Pro. Também foram usados dados orbitais provenientes do sensor WorldView-2. Dados de campo e orbitais apresentaram relações consistentes, e mostraram ser possível discriminar as variedades através de suas características espectrais. A alta relação sinal/ruído dos dados de campo permitiu detectar diferenças consistentes e sistemáticas nos comprimentos de onda do verde e vermelho, atribuídas à presença de pigmentos como as antocianinas. O monitoramento da dinâmica espectral do ciclo fenológico revelou feições espectrais consistentes nos comprimentos de onda do infravermelho atribuídas ao período de senescência da videira. A espacialização dos dados de vigor vegetativo, obtidos através de índices de vegetação (NDVI) permitiu a setorização de áreas com diferentes potenciais enológicos. / The growing demand of world markets to increase agricultural production and to minimize environmental impacts puts the Geoinformation as an important tool of precision agriculture. Several sets of data of images from orbital and ground sensors have been used for agricultural monitoring at local, regional and global scales. In this context, focusing this perception to viticulture, the aim of this study was to evaluate the spectral comportment of different grapevine cultivars along of phenological cycle, giving support to realization of spectral discrimination of varieties and the mapping of the spatial variation of vegetative vigor within the plot. For the development of this project, our research was divided into two stages. The first research consisted in a study of vineyards of the Burgundy region in France, where the studied grape varieties were Chardonnay and Pinot Noir. The work was to verify the assumption that the quality categories that define the vineyards and are transmitted from the soil to wine are also transmitted to the leaves of the vines, and these can be detected in the spectral information contained in ASTER satellite images. Results showed that this discrimination is indeed possible, and lead to the second part of the project, with new and more detailed studies, which were performed in the vineyards of Geisse Winery, located in the Serra Gaúcha region, Brazil, based on field radiometry and orbital images. The same grape varieties Chardonnay and Pinot Noir grapes were again investigated. Field measurements were performed with a radiometer FieldSpec Pro. The investigation was made on two vine plots, based on a selection of plants of the Chardonnay and Pinot Noir, which were monitored over two growing seasons. Orbital data were from the WorldView-2 sensor. Field and orbital data showed consistent relations and showed that it is possible to distinguish the varieties by their spectral characteristics. The high relation signal/noise of field data allowed detecting consistent and systematic spectral features at red and green wavelengths, thought to be linked to the presence of pigments such as anthocyanins. The monitoring of spectral dynamics during the phenological cycle revealed consistent spectral features in infrared wavelengths assigned to the vine senescence period. The spatial distribution of vegetative vigor data obtained from the vegetation index (NDVI) allowed the sectorization of areas with different enological potentials.

L'étude des sols argileux fait l'objet de nombreux travaux motivés par leur rôle dans les processus d'érosion, les catastrophes naturelles et l'agriculture de précision. La caractérisation du contenu en argiles gonflantes du sol est aussi nécessaire pour évaluer la traficabilité d’une région ou le risque de retrait-gonflement des sols, responsable d’engendrer des dégâts sur le bâti. En effet, les argiles gonflantes sont des smectites qu'il faut différencier des autres types d'argiles telles que l'illite ou la kaolinite, en milieu tempéré. Les techniques traditionnelles pour réaliser la cartographie des minéraux argileux des sols sont en général couteuses, financièrement et en temps et sont basées sur des campagnes terrain intensives simultanément à des acquisitions photographiques afin de spatialiser l'information qui reste qualitative. La télédétection hyperspectrale est une technique potentiellement intéressante pour obtenir des cartes d'argile plus précises et à moindre coût. Néanmoins, elle est limitée par le fait que (i) les minéraux sont mélangés de manière intime dans les sols avec d’autres composants; mais aussi que (ii) à l’échelle aéroportée, le signal réfléchi au sein d’un pixel (résolution spatiale de l’ordre du mètre) comprend de la végétation en plus du sol nu. Ces phénomènes de mélange, aux échelles microscopique et macroscopique, rendent difficile l’estimation du contenu en argiles minéralogiques. Le développement des drones ainsi que leur possibilité d'embarquer de nouvelles caméras hyperspectrales couvrant l'ensemble du spectre [0,4 - 2,5 µm] avec une haute résolution spatiale (environ 10 cm) et un signal à bruit élevé ouvrent la voie à un inventaire plus précis des argiles.L'objectif de cette thèse est de montrer l'intérêt de l'utilisation de méthodes de démélange sur des données hyperspectrales à très haute résolution spatiale pour estimer le contenu en minéraux argileux du sol, et plus précisément des argiles responsables du retrait-gonflement, les smectites. Dans un premier temps, les méthodes existantes de détection, de caractérisation des différents types d'argile et d'estimation de leur abondance sont présentées. Les potentialités des méthodes de démélange existantes dans la littérature pour l’estimation du contenu en minéraux argileux des sols sont mises en avant. Dans un second temps, les méthodes de démélange sont utilisées sur une base de données d’images hyperspectrale acquises en laboratoire de mélanges contrôlés minéraux contenant des argiles (montmorillonite, illite, kaolinite) et d’autres minéraux présents dans les sols (quartz, calcite). Comme les minéraux sont mélangés de manière intime, des méthodes de démélange, linéaires et non-linéaires sont décrites et comparées. Néanmoins, les algorithmes non-linéaires ont des performances similaires aux algorithmes linéaires. De plus, l’effet de la variabilité des données sur la précision de l’estimation des abondances a pu être réduit en utilisant des prétraitements spectraux. Dans une dernière étape, la comparaison des méthodes de démélange sont étendues à des mesures en environnement extérieur. Cette analyse repose sur une campagne de mesure en extérieur réalisée pour la mesure d'images hyperspectrales acquises depuis une nacelle (12 m de hauteur environ, 1,5 cm de résolution spatiale), et l’acquisition d’échantillons prélevés et analysés par DRX (données quantitatives des abondances des minéraux) pour validation. Cette dernière phase permet d'analyser l'impact d'un sol naturel (composé d'un mélange minéralogique, des matières carbonées telles que la cellulose, et ayant une rugosité de surface…) sur les méthodes de démélange. Les performances obtenues (moins de 15% RMSE sur l’estimation de la montmorillonite) permettent d’ouvrir des perspectives quant à l’application de ces méthodes sur des capteurs embarqués par drone, pour la cartographie de la traficabilité et de l’aléa de retrait-gonflement des sols. / Clayey soils are studied because of the importance of soils in erosion processes, natural disasters and precision agriculture. Mapping of clay mineralogy is essential for surveying and predicting trafficability and ground instability hazards, such as shrink-swelling, in order to cope with damages caused by expansive soils on infrastructures. Clay minerals in temperate zone soils are mainly divided in smectites, which highly contribute to soil swelling, illite and kaolinite. Geotechnical engineering practice for clayey soils mapping are expensive and time-consuming. Indeed, it is based on field and extensive laboratory studies. In addition, spatial distribution of clay is assessed using aerial photographs and low-scale geological maps. Thereby, small heterogeneities in geological features are rarely detected, and spatial information remains qualitative. Hyperspectral remote sensing could be an alternative to conventional methods for clay mapping. However, this method is limited by two facts: (i) soils are an intimate mixture of minerals, and (ii) vegetation is mixed with bare soil within airborne sensors pixels (meter range of spatial resolution). Those mixtures (at microscopic and macroscopic scales) mask clays specific spectral signatures and limit clay mineral quantification. Recent development in UAV offers new possibilities for carrying hyperspectral cameras in the reflective domain [0.4 – 2.5 µm], and obtaining data with higher SNR and resolution (10 cm). These advances open new perspectives for accurate and less expensive clay maps. This PhD thesis aims to present the potentiality of clay mapping in soils using very-high spatial resolution hyperspectral data, and more specifically, to estimate swelling clay minerals (smectite) abundances. First, existing methods of detection, and abundance estimation of clay minerals are presented. Second, unmixing methods are used on a database of hyperspectral images of controlled mixtures with different abundances of clay minerals, (illite, montmorillonite and kaolinite) and other minerals existing in soils (quartz, calcite). Due to the intimate nature of mixtures, linear and non-linear unmixing methods are described and compared. However, linear and nonlinear algorithms exhibit similar performances. Moreover, the accuracy of estimation of abundances of mineral clay increased using spectral preprocessings. Regarding the third step, field measurements are used to assess clay unmixing methods. This study is based on an outdoor experiment which acquired hyperspectral images from a bucket truck (12 m elevation, 1.5 cm ground sampling distance), and a sampling collection analyzed by XRD (quantitative analysis of mineral abundances) for validation. This step analyzed effects of a natural soil, (with organic matter, a larger diversity of mineralogical components and with surface roughness) on unmixing methods tested with laboratory data. Obtained performances (less than 15% RMSE for montmorillonite estimation) allow perspectives to apply these methods on data obtained with UAV sensors, for trafficability or expansive soils mapping purposes.

Este trabalho teve como objetivo principal analisar, em condições de campo, o efeito de lâminas de irrigação e de doses de nitrogênio sobre o comportamento espectral da cultura do feijão, a partir de medidas de reflectância hiperespectral, na faixa de 350 a 1150 nm, e da correlação entre os parâmetros biofísicos e as variáveis agronômicas da cultura, nessas condições. O experimento foi conduzido na área experimental de Agricultura Irrigada da Fazenda Areão, sob a responsabilidade do Departamento de Engenharia Rural da Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz DER/ESALQ/USP, localizada no município de Piracicaba, SP, de setembro a dezembro de 2007. O delineamento experimental foi em blocos casualizados com parcelas subdivididas, alocando-se, nas parcelas, os tratamentos relacionados aos níveis de irrigação ((179,5; 256,5; 357,5 e 406,2 mm) e nas subparcelas os tratamentos relativos às doses de nitrogênio (0; 80 e 160 kg ha-1), totalizando doze tratamentos em cada bloco. Como os tratamentos foram dispostos em quatro blocos (repetições), o total de parcelas experimentais foi de 48. As medidas radiométricas de campo foram adquiridas por meio do espectrorradiômetro SPECTRON SE-590, em sete datas, durante o ciclo da cultura. Foram coletados, ainda, a altura das plantas, o índice de área foliar, a produtividade de grãos, o número de grãos por vagem e o número de vagens por planta. Os índices espectrais calculados foram o NDVI e o NB_NDVI. Foi aplicada a remoção do contínuo nos espectros de reflectância para analisar a profundidade da banda e a área da banda de absorção, centrada em 665 nm. O fator água influenciou as variáveis biofísicas (IAF, altura da planta, produtividade, número de vagens por planta e número de grãos por vagem), sendo maiores os valores encontrados nas plantas que receberam maiores quantidades de água. O aumento da dose de nitrogênio não influenciou as variações das variáveis biofísicas, devido, possivelmente, ao processo de lixiviação desse nutriente para as camadas abaixo do sistema radicular da cultura. As análises dos índices de vegetação e dos parâmetros da remoção do contínuo (área e profundidade da banda de absorção) mostraram que as lâminas de irrigação afetaram o comportamento espectral do feijão no comprimento de onda de 665 nm, e que esses parâmetros não foram influenciados pelas doses de N. Os índices de vegetação (NDVI e NB_NDVI) e os parâmetros da remoção do contínuo (a profundidade da banda e a área da banda de absorção) foram eficientes na estimativa do IAF, da altura de plantas e da produtividade de grãos. Durante todo o desenvolvimento da cultura, as melhores correlações entre as variáveis biofísicas e as variáveis espectrais foram observadas nos estádios V4 e R6 de acordo com a variável analisada, sendo, portanto, estes os melhores estádios para monitorar espectralmente a cultura. Diante das metodologias utilizadas, as variáveis biofísicas foram mais bem estimadas pelo índice NB_NDVI, nos estádios V4 e R6, quando comparado ao índice NDVI e aos parâmetros da remoção do contínuo (profundidade e área da banda de absorção). / The objective of this research was to analyze the effect of irrigation levels and nitrogen fertilization on the spectral behavior, in the wavelength range of 350 to 1150 nm, of bean crop and the correlation between biophysical parameters and agronomical variables. The experiment was carried on at the Fazenda Areão, located at the University of São Paulo (ESALQ/USP) campus, Piracicaba, São Paulo, Brazil, from September to December, 2007. The experimental design was the randomized blocks, with split plots, with 12 treatments, 4 irrigation levels (179,5; 256,5; 357,5 e 406,2 mm) and 3 nitrogen rates (0; 80 e 160 kg ha-1), and four blocks. The field radiometric data were acquired with the SPECTRON-SE 590 spectroradiometer for seven dates during the crop growing season. Plant height, leaf area index (LAI), grain yield, the pod number per plant and the grain number per pod were also acquired. The spectral indices used were NDVI and NB_NDVI. The continuum removal was applied for the reflectance spectrum, on visible region centered on 665 nm, to analyze the band area and band depth. The irrigation also influenced the biophysical variables, so the largest medium values were observed in the treatments that used the largest irrigation levels. The nitrogen fertilization did not interfere on the biophysical variables, probably due to the leaching process. The vegetation indices and continuum removal analysis showed that irrigation levels affected the spectral behavior of bean crop on 665 nm and this parameters had not been influenced by nitrogen levels. The vegetation indices (NDVI and NB_NDVI) and the continuum removal parameters (band area and band depth) were efficient in the estimate of IAF, plant height and grain yield. During all the crop development, the best correlations between biophysical variables and spectral variables were observed on V4 and R6 stages, according to the variable analized. In face of the methodologies used, the biophysical variables were better estimated by NB_NDVI, on V4 and R6 stages, when compared with NDVI and the continuum removal parameters.

O estudo do comportamento espectral de culturas agrícolas, por meio da radiometria de campo, contribui para a obtenção de uma maior precisão nos modelos gerados pelo sensoriamento remoto, quando utilizados na estimativa e análise de variáveis agronômicas de culturas. Tendo em vista que os sensores a bordo de satélites podem adquirir imagens sob diferentes ângulos de visada e em diferentes horários de passagem, torna-se necessário o conhecimento do efeito dessas variáveis sobre a resposta espectral das culturas. A presente pesquisa teve como objetivo avaliar a influência de três ângulos de visada (0º, 30º e 45º) e três horários de medição (10 horas, 12 horas e 14 horas), o que implica em diferentes ângulos de elevação solar, na resposta espectral da cultura de feijão, como também nas relações entre o índice de área foliar (IAF) e o Índice de Vegetação Diferença Normalizada (NDVI). O experimento foi conduzido na "Fazenda Areão", pertencente à Escola Superior de Agricultura 'Luiz de Queiroz' (ESALQ/USP), Piracicaba, SP, de março a junho de 2005. O delineamento experimental foi o de blocos ao acaso, com parcelas subdivididas, constituído de três blocos, três tratamentos primários referentes aos horários de leitura e três tratamentos secundários relacionados ao ângulo de visada. Foram realizadas nove campanhas de medição no campo, com o espectroradiômetro SPECTRON SE-590. Dos fatores de reflectância (FR) determinados, simularam-se as bandas TM3 e TM4 e, a partir destes, foram gerados os índices de vegetação. De acordo com os resultados obtidos, concluiu-se que a variação do horário de medição não proporcionou variação significativa sobre os valores do FR nas bandas TM3 e TM4. Já a variação do ângulo zenital de visada influenciou significativamente, ao nível de 5 % de probabilidade, o FR nas bandas TM3 e TM4, para todos os dias de leitura. Quanto às relações IAF e NDVI, o modelo linear apresentou melhores ajustes, estatisticamente significativos (p≤0,05). / The study of the spectral behavior of crops, through field radiometry, contributes to a better precision in models generated by remote sensing, when they are used to estimate and analyze crops’ agronomic variables. Once sensors aboard of satellites are able to acquire images under different viewing angles and at different times of the day, it is necessary to understand the effect of such variables on the crops’ spectral response. The objective of this research was to evaluate the influence of the viewing angles (0º, 30º and 45º) and three radiometric acquisition times (10:00 a.m, 12:00 a.m and 2:00 p.m), related to different sun elevation angles, on the spectral behavior of bean crop, as well as on the relationship between Leaf Area Index (LAI) and Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). The experiment was installed in the "Fazenda Areão", of the ESALQ/USP, in Piracicaba, SP, from March to June, 2005. The experimental design was the randomized blocks, with split plots, with three blocks, three primary treatments (acquisition times) and three secundary treatments (viewing angles). Nine field campaigns were carried out with the SPECTRON SE-590 spectroradiometer. Bands TM3 e TM4 were simulated from the determined reflectance factors and, with these bands, vegetation indices were generated. According to the results, it was concluded that the variation on acquisition time did not lead to a significant variation on the reflectance factors in the TM3 and TM4 bands. On the other hand, the variation in the viewing angle significantly affected (p≤0,05) the reflectance factor in the TM3 and TM4 bands, for every day of measurement. Regarding the relationships between LAI and NDVI, the linear model showed the best fit (p≤0,05).

O Lago Guaíba é um importante corpo d’água localizado na porção leste do estado do Rio Grande do Sul. É a principal fonte de abastecimento de água para a região metropolitana de Porto Alegre, além de exercer outras funções sociais primordiais, como de estocar água para usos futuros, abastecimento agrícola e industrial, navegação, entre outros. Com os recentes avanços na tecnologia de Sensoriamento Remoto, espectrorradiômetros com altíssima resolução espectral e radiométrica são cada vez mais utilizados na discriminação de diferentes elementos presentes na natureza. Paralelamente, estão os sensores orbitais que possibilitam, por meio de sua visão sinótica, ampliar a representatividade espacial dos elementos na superfície terrestre. Este trabalho tem como objetivo caracterizar as águas do Lago Guaíba, quanto as suas propriedades ópticas, a partir da integração de dados de sensoriamento remoto orbital e de espectrorradiometria de campo. Para tanto foram coletadas variáveis limnológicas (totais de sólidos em suspensão, clorofila-a, turbidez) e espectrais em 9 de fevereiro de 2015, utilizando uma rede de 25 estações de coleta sobre o Lago, e adquiridos dados complementares: precipitação pluviométrica e direção de ventos. Foi utilizada uma série temporal da banda 4, sensor OLI/Landsat-8, e estabelecida correlação entre precipitação e reflectância. Foram adquiridos espectros com o espectrorradiômetro e aplicadas técnicas de suavização, derivada e remoção do contínuo, buscando identificar os constituintes opticamente ativos que determinam as características da água. As variáveis limnológicas foram espacializadas e relacionadas com os dados espectrais por meio de correlações e modelos de dispersão. Uma imagem do sensor LISS-III/ResourceSat-2 foi utilizada para estimativa empírica dos parâmetros limnológicos. Os resultados mostraram que a precipitação de 16 dias anteriores à aquisição da imagem influência de forma significativa nas características ópticas da água em diferentes épocas do ano. A máxima reflectância da água foi na faixa espectral do verde (0,18%). As regiões onde se observou as maiores reflectâncias na série estão ligadas aos ambientes onde predominam condições de erosão ou não deposição de sedimentos finos. Regressões empíricas explicaram que 23% da reflectância em 708 nm é devida a presença de sólidos na água. A concentração de Chl-a não apresentou correlações significativas (α = 0,05) com a reflectância. A análise dos dados espectrais demonstrou que os dois métodos de derivada e remoção do contínuo apresentaram bons resultados. Observou-se o aumento das correlações após a derivação evidenciando que esta técnica aumenta o contraste espectral e assim a precisão das estimativas. A primeira derivada em 772 nm explicou 44% da variação devido ao totais de sólidos em suspensão. Já em 690 nm, a primeira derivada explicou 32% da variação na concentração de clorofila-a. Os melhores resultados foram observados nas variáveis turbidez e transparência. A partir da remoção do contínuo se verificou as maiores profundidades de bandas em comprimentos de onda mais longos. Correlações fortes foram encontradas para as variáveis turbidez e transparência (r = 0,86 e -0,86, respectivamente) na faixa de 690-750 nm. Devido à baixa concentração tanto de sólidos em suspensão quanto de clorofila-a, houve dificuldade no estabelecimento de relações fiáveis entre parâmetros espectrais e a qualidade da água do Lago Guaíba. As imagens LISS-III mostraram-se potenciais para mapear a composição da água do Lago Guaíba. / Guaíba Lake is an important body of water located in the east portion of Rio Grande do Sul. It is the main source of water supply to Porto Alegre metropolitan region, besides exercising other primary social functions such as storing water for future use, agricultural and industrial supply, shipping, among others. With the recent advancements in technology of Remote Sensing, spectroradiometers with the highest spectral and radiometric resolution are each time more used to the distinction of different elements presented in nature. In parallel, there are the orbital sensors, which allow, through it’s synoptic view, to amplify the spatial representativity of the elements on earth’s surface. This work aims to characterize the waters of Guaíba Lake- RS, in terms of its optical properties, from the data integration of remote orbital sensing and spectroradiometry of the area. To achieve this, limnologic (total of suspended solids, chlorophyll-a, and turbidity) and spectral variables were collected on February 9th 2015, by the use of a 25 station collection network on the lake, and acquired complementary data: rain fall and wind direction. One temporal series of band 4 and sensor OLI/Landsat 8 were used, and the correlation between rain falls and reflectance was established. Spectra were acquired with the spectroradiometer and smoothing, derivation and continuum removal techniques were applied in order to identify the optically active constituents which determine the characteristics of the water. The limnologic variables were spatialized and related to the spectral data by correlations and dispersion models. An image of the sensor LISS-III/ResourceSat-2 was used for the empirical estimation of the limnologic parameters. The results showed that the 16 days rain falls previous to the image acquisition influenced in a significant way in the optical characteristics of the water in different seasons of the year. The maximum reflectance of water was in the green spectral range (0, 18%). The regions where the highest reflectance in the series was observed are connected to the environments where prevail the erosion conditions or nondeposition of fine sediments. Empirical regressions explained that 23% of the reflectance in 708 nm is due to the presence of solids in the water. The concentration of Chl-a did not present significant correlations (α = 0, 05) with the reflectance. The analysis of spectral data showed that the two methods of derivation and continuum removal presented positive results. The increase of correlations after the derivation was observed, highlighting the fact that this technique increases the spectral contrast and so the estimation accuracy. The first derivation in 772 nm explained 44% of the variation in the concentration of chlorophyll-a. The best results were observed in the variables TUR and DS. From the removal of the continuum, the highest band depth was verified in longer wavelength. Strong correlations were found to the turbidity and transparency variables (r = 0,86 and -0,86, respectively) in the range of 690-750 nm. Due to low concentration of suspended solids as much as chlorophyll-a, there was difficulty in the establishment of reliable relations between the spectral parameters and the quality of water in Guaíba River. The images LISS-III showed themselves to be potentials to map Guaíba River’s composition.

O Lago Guaíba é um importante corpo d’água localizado na porção leste do estado do Rio Grande do Sul. É a principal fonte de abastecimento de água para a região metropolitana de Porto Alegre, além de exercer outras funções sociais primordiais, como de estocar água para usos futuros, abastecimento agrícola e industrial, navegação, entre outros. Com os recentes avanços na tecnologia de Sensoriamento Remoto, espectrorradiômetros com altíssima resolução espectral e radiométrica são cada vez mais utilizados na discriminação de diferentes elementos presentes na natureza. Paralelamente, estão os sensores orbitais que possibilitam, por meio de sua visão sinótica, ampliar a representatividade espacial dos elementos na superfície terrestre. Este trabalho tem como objetivo caracterizar as águas do Lago Guaíba, quanto as suas propriedades ópticas, a partir da integração de dados de sensoriamento remoto orbital e de espectrorradiometria de campo. Para tanto foram coletadas variáveis limnológicas (totais de sólidos em suspensão, clorofila-a, turbidez) e espectrais em 9 de fevereiro de 2015, utilizando uma rede de 25 estações de coleta sobre o Lago, e adquiridos dados complementares: precipitação pluviométrica e direção de ventos. Foi utilizada uma série temporal da banda 4, sensor OLI/Landsat-8, e estabelecida correlação entre precipitação e reflectância. Foram adquiridos espectros com o espectrorradiômetro e aplicadas técnicas de suavização, derivada e remoção do contínuo, buscando identificar os constituintes opticamente ativos que determinam as características da água. As variáveis limnológicas foram espacializadas e relacionadas com os dados espectrais por meio de correlações e modelos de dispersão. Uma imagem do sensor LISS-III/ResourceSat-2 foi utilizada para estimativa empírica dos parâmetros limnológicos. Os resultados mostraram que a precipitação de 16 dias anteriores à aquisição da imagem influência de forma significativa nas características ópticas da água em diferentes épocas do ano. A máxima reflectância da água foi na faixa espectral do verde (0,18%). As regiões onde se observou as maiores reflectâncias na série estão ligadas aos ambientes onde predominam condições de erosão ou não deposição de sedimentos finos. Regressões empíricas explicaram que 23% da reflectância em 708 nm é devida a presença de sólidos na água. A concentração de Chl-a não apresentou correlações significativas (α = 0,05) com a reflectância. A análise dos dados espectrais demonstrou que os dois métodos de derivada e remoção do contínuo apresentaram bons resultados. Observou-se o aumento das correlações após a derivação evidenciando que esta técnica aumenta o contraste espectral e assim a precisão das estimativas. A primeira derivada em 772 nm explicou 44% da variação devido ao totais de sólidos em suspensão. Já em 690 nm, a primeira derivada explicou 32% da variação na concentração de clorofila-a. Os melhores resultados foram observados nas variáveis turbidez e transparência. A partir da remoção do contínuo se verificou as maiores profundidades de bandas em comprimentos de onda mais longos. Correlações fortes foram encontradas para as variáveis turbidez e transparência (r = 0,86 e -0,86, respectivamente) na faixa de 690-750 nm. Devido à baixa concentração tanto de sólidos em suspensão quanto de clorofila-a, houve dificuldade no estabelecimento de relações fiáveis entre parâmetros espectrais e a qualidade da água do Lago Guaíba. As imagens LISS-III mostraram-se potenciais para mapear a composição da água do Lago Guaíba. / Guaíba Lake is an important body of water located in the east portion of Rio Grande do Sul. It is the main source of water supply to Porto Alegre metropolitan region, besides exercising other primary social functions such as storing water for future use, agricultural and industrial supply, shipping, among others. With the recent advancements in technology of Remote Sensing, spectroradiometers with the highest spectral and radiometric resolution are each time more used to the distinction of different elements presented in nature. In parallel, there are the orbital sensors, which allow, through it’s synoptic view, to amplify the spatial representativity of the elements on earth’s surface. This work aims to characterize the waters of Guaíba Lake- RS, in terms of its optical properties, from the data integration of remote orbital sensing and spectroradiometry of the area. To achieve this, limnologic (total of suspended solids, chlorophyll-a, and turbidity) and spectral variables were collected on February 9th 2015, by the use of a 25 station collection network on the lake, and acquired complementary data: rain fall and wind direction. One temporal series of band 4 and sensor OLI/Landsat 8 were used, and the correlation between rain falls and reflectance was established. Spectra were acquired with the spectroradiometer and smoothing, derivation and continuum removal techniques were applied in order to identify the optically active constituents which determine the characteristics of the water. The limnologic variables were spatialized and related to the spectral data by correlations and dispersion models. An image of the sensor LISS-III/ResourceSat-2 was used for the empirical estimation of the limnologic parameters. The results showed that the 16 days rain falls previous to the image acquisition influenced in a significant way in the optical characteristics of the water in different seasons of the year. The maximum reflectance of water was in the green spectral range (0, 18%). The regions where the highest reflectance in the series was observed are connected to the environments where prevail the erosion conditions or nondeposition of fine sediments. Empirical regressions explained that 23% of the reflectance in 708 nm is due to the presence of solids in the water. The concentration of Chl-a did not present significant correlations (α = 0, 05) with the reflectance. The analysis of spectral data showed that the two methods of derivation and continuum removal presented positive results. The increase of correlations after the derivation was observed, highlighting the fact that this technique increases the spectral contrast and so the estimation accuracy. The first derivation in 772 nm explained 44% of the variation in the concentration of chlorophyll-a. The best results were observed in the variables TUR and DS. From the removal of the continuum, the highest band depth was verified in longer wavelength. Strong correlations were found to the turbidity and transparency variables (r = 0,86 and -0,86, respectively) in the range of 690-750 nm. Due to low concentration of suspended solids as much as chlorophyll-a, there was difficulty in the establishment of reliable relations between the spectral parameters and the quality of water in Guaíba River. The images LISS-III showed themselves to be potentials to map Guaíba River’s composition.