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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Detecção indireta de contaminação no solo por hidrocarbonetos líquidos a partir de alterações espectrais de culturas vegetais
Title Alternative: Indirect detection of soil contamination by liquid hydrocarbons from spectral changes in crops
Author: Gürtler, Salete, 1978-
Advisor: Souza Filho, Carlos Roberto de, 1965-
Filho, Carlos Roberto de Souza
Abstract: Resumo: A contaminação do solo por hidrocarbonetos líquidos (HCs) é um problema que atinge o mundo todo e pode causar sérios danos ao meio ambiente e à saúde humana. A identificação antecipada de pequenos vazamentos em dutos de derivados de petróleo contribui para a rápida contenção e solução do problema. Métodos indiretos de detecção envolvem a descrição de anomalias na vegetação atingida pelos contaminantes. A proposta dessa tese foi avaliar as alterações na camada de vegetação desenvolvida em solo contaminado com diesel e gasolina, utilizando técnicas de espectroscopia de refletância e de imageamento. Parte-se da hipótese de que as plantas em solo com HCs germinam e se desenvolvem com modificações morfológicas e fisiológicas, as quais podem ser potencialmente detectadas pelas alterações no espectro da folha e do dossel. Os principais objetivos da pesquisa foram: (i) analisar as diferenças entre as plantas contaminadas e sadias com técnicas de espectroscopia de refletância (remoção do contínuo, red edge, índices espectrais e feições de absorção), no intervalo espectral entre o visível e o infravermelho de ondas curtas (350 ¿ 2500 nm); (ii) avaliar a técnica dos mapas autoorganizáveis (SOM) para diferenciar plantas contaminadas e plantas sadias; e (iii) avaliar se as diferenças observadas no espectro do dossel contaminado podem ser detectadas por sensores remotos (WorldView-3 e câmera multiespectral MicaSense RedEdge), simulados a partir da reamostragem de bandas ultraespectrais (espectrorradiômetro de campo ASD-FieldSpec) e hiperespectrais (aerosensor ProSpecTIR). A investigação envolveu duas escalas de trabalho. Primeiramente, um experimento de vazamento de pequeno porte foi instalado em casa de vegetação, com coleta de espectros foliares de braquiária e soja perene. O segundo experimento foi concebido para simular um vazamento em escala real, durante o qual foram coletados dados foliares e de dossel de braquiária, soja perene e milho. Os resultados mostraram diferenças sutis entre as plantas contaminadas e sadias em nível foliar. Ao nível de dossel, as diferenças foram mais significativas. A contaminação afetou a estrutura do dossel, revelando maior influência do solo exposto nessas áreas em relação às áreas sem contaminação. A análise multivariada dos parâmetros espectrais (com técnica dos mapas auto-organizáveis e análise de agrupamento) melhorou a detecção de anomalias nas plantas contaminadas em relação à análise dos parâmetros isolados. Índices espectrais foram também utilizados para avaliar a capacidade dos sensores remotos na detecção de anomalias na vegetação contaminada. Os resultados mostraram que os produtos desses sensores podem distinguir o estresse da vegetação ao nível de dossel, quando a contaminação ocorre antes do plantio

Abstract: The contamination of soil by liquid hydrocarbons (HCs) is a worldwide problem and can cause serious damage to the environment and human health. Early identification of small leaks in hydrocarbon pipelines contribute to the rapid suppression and solution of the leakage. Indirect detection methods involve the detection of anomalies in vegetation affected by contaminants. The aim of this thesis is to evaluate changes in the vegetation cover developed in soil contaminated with diesel and gasoline, using reflectance and imaging spectroscopic techniques. The assumption is that plants grown in soil with HCs germinate and develop with morphological and physiological changes, which can potentially be detected by changes in the spectrum of leaf and canopy. Specific objectives of the research are: (i) to analyze the differences between contaminated and healthy plants with reflectance spectroscopy techniques (continuum removal, red edge, spectral indices and absorption features) in the spectral range between the visible and infrared shortwave (350 - 2500 nm); (ii) to evaluate the technique of self-organizing maps (SOM) to differentiate contaminated plants and healthy plants; and (iii) to assess whether the differences observed in the spectra of contaminated canopy can be detected by remote sensors (WorldView-3 superspectral and MicaSense RedEdge multispectral sensors), simulated from resampled ultraspectral (ASD-FieldSpec field spectrometer) and hyperspectral bands (ProSpecTIR airborne sensor). The research involved two scales of work. Firstly, a small leak experiment was conducted in a greenhouse, with the collection of leaf spectra of brachiaria and perennial soybean. The second experiment was designed to simulate a leak in real scale; data were collected of leaf and canopy of brachiaria, perennial soybean and maize. Overall, the results at leaf level showed subtle differences between contaminated and healthy plants. The main differences were observed at the canopy level. The contamination affected the canopy structure, showing greater influence of exposed soil in these sites compared to areas without contamination. Multivariate analysis of spectral parameters (using self-organizing maps technique and cluster analysis) improved the detection of anomalies in contaminated plants rather than analysis of isolated parameters. Spectral indices were also used to evaluate the capacity of remote sensors in detecting spectral anomalies on contaminated vegetation. The results showed that the products of these sensors can distinguish stressed vegetation at the canopy level when contamination occurs before planting
Subject: Espectroscopia de reflectancia
Solos - Poluição
Hidrocarbonetos
Vegetação
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2016
Appears in Collections:IG - Tese e Dissertação

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