AVALIAÇÃO DE DADOS DE ALTIMETRIA ESPACIAL PARA ESTIMATIVA DE COTAS FLUVIOMÉTRICAS SOBRE O RIO BRANCO - RORAIMA

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1 AVALIAÇÃO DE DADOS DE ALTIMETRIA ESPACIAL PARA ESTIMATIVA DE COTAS FLUVIOMÉTRICAS SOBRE O RIO BRANCO - RORAIMA Vanessa Cunha Silva 1 *; Rogério Ribeiro Marinho 2 Resumo O uso de dados de altimetria espacial para o monitoramento de águas continentais é uma tecnologia recentemente consolidada. Estudos tem demonstrado o crescimento na qualidade das séries temporais altimétricas obtidas sobre diferentes ambientes aquáticos na última década. Atualmente a comunidade hidrológica tem disponível diferentes dados de sensoriamento remoto para uso complementar, mas dados estimados sobre o nível de água usando satélites altimétricos podem incluir discrepâncias significativas. Neste sentido, o presente artigo avalia a precisão dos dados altimétricos das missões ENVISAT e JANSON-2, produzidos e disponibilizados pela base de dados do observatório ORE-HYBAM. A área de estudo é localizada sobre o rio Branco, no estado de Roraima. Os resultados obtidos mostraram valores de erro médio quadrático variando de 29 a 103 cm ao longo de diferentes regiões do rio. A comparação das estações virtuais com dados de campo indica uma elevada concordância entre os dados altimétricos e o ciclo hidrológico deste rio. Palavras-Chave Altimetria radar, monitoramento fluviométrico, Rio Branco. ALTIMETRY DATA EVALUATION FOR WATER LEVEL ESTIMATED OVER RIO BRANCO - RORAIMA Abstract Use of satellite altimeter data for monitoring continental water levels is a recent consolidated technology. Studies have demonstrated growing quality of the series under different water environments in the last decade. At the moment the hydrological community has different remote sensing data for complementary use, but data of water level using altimeters on board satellites may include significant discrepancies. For that reason, this article evaluates the water level accuracy of altimetry data from missions ENVISAT and JASON-2 which was generated by ORE- HYBAM database. The area of study is located in the Rio Branco, State of Roraima, Brazilian North Region. The obtained results showed that the root mean square error ranging from 29 to 103 cm along of the Rio Branco. Comparison virtual stations and with in situ gauges indicate high concordance between the altimetry data and the hydrological cycle of this river. Keywords Altimetry radar, water level monitoring, Rio Branco. 1 Estudante de Graduação da Universidade Federal do Amazonas, wanessavc01@yahoo.com.br 2 Professor da Universidade Federal do Amazonas, rogeo@ufam.edu.br * Autor Correspondente: Vanessa Cunha Silva XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 1 - INTRODUÇÃO Para utilização dos recursos hídricos de forma sustentável na bacia Amazônica, é necessário aperfeiçoar as práticas de gestão, visando à disponibilidade de água com qualidade para a população e principalmente, criando mecanismos de redução de impactos ocasionados por eventos extremos de cheias e secas. Desta forma, uma das ações fundamentais no gerenciamento de recursos hídricos é o monitoramento das águas superficiais, onde é possível identificar o regime fluvial dos principais cursos d'água que compõem a bacia e estabelecer diretrizes para o uso sustentável. Esta condição cria a necessidade de se estabelecer uma rede de observação de diferentes variáveis hidrológicas, como precipitação, vazão e nível dos rios em pontos representativos da bacia. A instalação e operação de uma rede de monitoramento hidrológico exige um grande esforço de recursos humanos e investimentos, o que limita em alguns casos a existência de uma boa distribuição espacial de estações com grande registro temporal. Nos rios da Amazônia brasileira, existem aproximadamente 750 estações de coleta de dados sobre precipitação, nível, vazão e descarga de sedimentos em rios (ANA, 2014). Deste total, a quantidade de estações fluviométricas, cerca de 435, ainda é insuficiente para o monitoramento principalmente pela dimensão da bacia. A instalação de novas estações se limita devido a problemas como custo, logística de operação, manutenção e atualização, além da escassez de recursos humanos especializados. Em decorrência disto, nas últimas décadas têm se intensificado os estudos na modernização do sistema de aquisição de dados hidrológicos, através de estações telemétricas ou usando recursos do sensoriamento remoto, como a altimetria espacial. Atualmente os sensores de radar altímetros embarcados em satélites de observação da terra possibilitam estimar o nível de corpos d'água com elevada precisão. Essa técnica foi desenvolvida inicialmente para estudos oceânicos, e na última década teve um grande avanço em pesquisas sobre águas continentais, como rios, lagos e planícies de inundação, principalmente sobre a bacia Amazônica (Birkett et al., 2002; Calmant e Seyler, 2006; Silva et al. 2010). Por se tratar de um mecanismo de aquisição de dados recente e adaptado de um modelo já consolidado para medições de oceanos, a altimetria continental ainda passa por adaptações e ajustes para obter dados operacionais mais precisos e de qualidade para áreas de grandes rios. Diante deste cenário, este trabalho tem como objetivo avaliar a precisão das medições altimétricas de estações virtuais sobre o rio Branco, no estado de Roraima, em relação aos dados das estações fluviométricas convencionais. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 2 - ÁREA DE ESTUDO O rio Branco está localizado no estado de Roraima na porção norte da bacia Amazônica, distribui-se de norte a sul do estado e deságua na margem esquerda do rio Negro. As estações virtuais analisadas estão localizadas nas proximidades das estações fluviométricas convencionais de Boa Vista, e Santa Maria do Boiaçu, respectivamente alto, médio e baixo curso deste rio (figura 01). Figura 01 - Mapa de localização da área de estudo. Org. Vanessa C. Silva, A estação Boa Vista possui uma área drenada de Km 2, localiza-se na margem direita do rio Branco distante cerca de 30 km após a confluência dos rios Uraricoera e Tacutu. A estação também se localiza na margem direita e drena uma área de aproximadamente km 2. A estação de Santa Maria do Boiaçu localiza-se no baixo trecho do rio Branco, registrando cotas sobre uma área drenada de km 2. 3 MATERIAL Para execução deste trabalho foram utilizadas estimativas de altura da água oriundas de radares altímetros das missões ENVISAT e JASON-2 (Tabela 1). Estes dados foram processados automaticamente com o uso do programa Virtual Altimetry Station - Vals (VALS, 2011) e estão disponíveis na base de dados do Observatório ORE-HYBAM ( XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Tabela 1 - Características dos Satélites altímetros utilizados neste trabalho. Fonte: Data Final da Tempo de Satélite/Sensor Altitude Lançamento missão revisita ENVISAT/RA2 01/03/ /06/2012 ~ 35 dias ~ km ESA JASON- 2/Poseidon-3 20/06/2008 Ativo ~ 10 dias 1336 Km Agência CNES; NASA; EUMETSAT; NOAA Como dados de referência foram utilizadas as medições de cota média observadas nas estações fluviométricas de Boa Vista ( ), ( ) e Santa Maria do Boiaçu ( ). Estas estações são pertencentes à rede hidrometeorológica nacional da Agência Nacional de Águas (ANA, 2015). Detalhes dos dados altimétricos e observados em campo são apresentados na Tabela 2. Tabela 2 - Características dos dados fluviométricos das estações convencionais e altimétricas utilizadas neste trabalho. Estação Tipo/Missão Latitude Longitude Período de dados disponíveis Boa Vista ( ) 2, , ( ) Convencional 1, , Santa Maria do Boiaçu ( ) -0, , ENVI_607_Montante 2, , ENVISAT ENVI_149_Jusante 1, , JA2_152_Montante 2, , Jason-2 JA2_241_Jusante Boto -0, , MÉTODOS 4.1 Altimetria espacial Um radar altímetro realiza a estimativa do nível de um corpo d'água através do cálculo da diferença entre duas distâncias medidas pelo sensor, a distância de uma superfície de referência (elipsóide) e a distância entre o sensor e a superfície d'água (distância altimétrica). Cada interseção de um traço do satélite altimétrico com um plano d'água possibilita a criar uma "estação virtual", com o potencial de obter uma série histórica do nível d'água através de medições realizadas em cada passagem do satélite. Para criar uma estação virtual o principal fator é o traço do satélite, ou seja, a projeção de meia órbita do satélite sobre a superfície da Terra. Quando um traço cruza uma superfície d'água continental é possível estimar altura do corpo d'água a cada passagem do satélite, gerando assim uma série histórica com aquisições de dados conforme o tempo de revisita, ou ciclos do satélite. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 A seleção dos dados altimétricos para criar estações virtuais de radar altímetro foi realizada com o uso do programa VALS, desenvolvido para executar uma sequência de processamentos de dados altimétricos e obter séries temporais da altura do nível d'água. 4.2 Validação dos dados altimétricos A metodologia empregada para validar os dados altimétricos foi a comparação entre os valores médios diários observados em campo e os valores estimados pelos sensores. Esta avaliação da acurácia da estimativa de nível de água em cada estação virtual foi realizada em planilha eletrônica aplicando o cálculo do Erro Médio Quadrático (RMS): RMS = (h 1i h 2i ) 2 N (1) em que h 1i são as estimativas de nível d'água estimada através de dados altimétricos, h 2i são as observações do nível d'água nas estações fluviométricas, N é o número de medidas consideradas. A distância máxima e mínima entre as estações fluviométricas e virtual variou entre 10 e 52 quilômetros, respectivamente. 5 - RESULTADOS E DISCUSÕES A série histórica de observações fluviométricas possibilitou identificar o regime hidrológico do rio Branco, com período de enchente que inicia em abril e se estende até maio, o pico de cheia ocorre entre os meses de junho e julho. O período de vazante se inicia no mês agosto até outubro, com registros dos valores mínimos de cota entre novembro e março, época da seca do rio. Na figura 02 é possível obsevar que grande parte das medições altimétricas nas estações virtuais representa bem o comportamento hidrológico observado nas estações convencionais, sendo possível identificar os diferentes períodos hidrológicos (enchente, cheia, vazante e seca) do rio Branco. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Figura 2: Gráficos de comparação do regime hidrológico do Rio Branco observado nas estações fluviométricas e as estações altimétricas. Foram analisados 408 dados altimétricos para as quatro estações virtuais. O maior volume de dados avaliado foi na estação JA2_152_Montante com 183 medições. Os resultados mostram valores de RMS inferiores a 40 cm para três das quatro estações analisadas (Tabela 3), valores próximos aos obtidos em pesquisas sobre diferentes rios da bacia Amazônica (Conchy et al. 2011; Costi, 2012; Hernandez et al. 2009; Silva et al. 2010; Silva et al. 2013). Tabela 3 Resultados da validação das cotas entre as estações convencionais e virtuais. Estação Convencional (a) Boa Vista ( ) ( ) ( ) Santa Maria do Boiaçu ( ) Estação virtual (b) ENVI_607_Montante JA2_152_Montante ENVI_149_Jusante JA2_241_Jusante Boto Seção do rio na estação virtual Distância entre estações (a) - (b) RMS (cm) 1,5 km 26 km 29,1 1,25 km 52 km 103,8 1,6 km 31 km 31,3 1,36 10 km 36,1 Neste estudo, o menor RMS foi identificado na estação virtual ENVI_607_Montante, utilizando como referência as observações da estação Boa Vista ( ). Por outro XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 lado, a maior discrepância foi observada na estação virtual JA2_152_Montante comparado com as observações da estação mais próxima ( ). Uma das explicações para a elevada discrepância observada nesta estação virtual pode estar relacionada à contribuição de volume de água do rio Mucajaí, afluente da margem direita do rio Branco. As elevadas discrepâncias também são decorrência da distância entre a estação convencional e o traço do radar, os diferentes horários de coleta de dados da estação convencional e da passagem do satélite, a topografia, a vegetação aquática ou outros obstáculos na superfície. Outras variáveis podem contribuir no aumento das discrepâncias entre estimativas de cotas altimétricas e as observações em campo. De acordo com Hernández et al. (2009) em alguns casos a precisão dos valores medidos pode estar associada às características físicas ou topográficas a região analisada. Em outras situações, a precisão obtida pode estar relacionada ao processamento automático dos dados altimétricos, uma vez que a extração automática de medidas altimétricas é realizada com base em um processamento inicial manual de ciclos antigos (VALS, 2011). 6 - CONCLUSÕES Neste estudo foi possível observar que existe uma grande concordância entre as medições altimétricas e as medidas de campo registradas sobre o rio Branco, bem como avaliar a qualidade das estimativas do nível do rio em diferentes estações. Os dados altimétricos apresentaram precisão abaixo de 40 cm para três de quatro seções analisadas. Os dados de altimetria espacial podem suprir a falta de informações até então inexistentes em várias áreas da bacia Amazônica. Em algumas situações, podem superar a ausência de recursos humanos e financeiros para obter dados sobre nível dos rios. O ponto negativo é a resolução temporal de algumas missões, pois podem demorar até 35 dias, o que dificulta sua aplicação em rios com significativa variação diária, outro ponto ainda é o tratamento dos dados para estimativa dos níveis que inclui um processamento manual e semiautomático que podem levar a erros. O uso desta técnica já é uma alternativa para complementar a rede de monitoramento existente na Amazônia, uma vez que é possível preencher falhas nas séries de dados de importantes estações, e obter dados em áreas de difícil acesso ou sem existência de dados. Com isso, pode-se dar maior suporte na tomada de decisões e implantação de políticas públicas que visem o uso adequado dos recursos hídricos e a diminuição dos impactos oriundos de eventos extremos de cheia e seca. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 AGRADECIMENTOS Agradecemos a Agência Nacional de Águas (ANA) e ao ORE-HYBAM pela disponibilização dos dados hidrológicos. Ao comitê local de Ciências Exatas e da Terra da Universidade Federal do Amazonas (UFAM) pelas sugestões no desenvolvimento do Projeto de Iniciação Cientifica PIB- E/0024/2014. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS ANA (2014). Rede Hidrometeorológica da Amazônia. Disponível em: < Acesso em: 31 de março de BIRKETT, C. M.; MERTES, L. A. K.; DUNNE,T.; COSTA, M. H.; JASINSKI, M. J. (2002). Surface water dynamics in the Amazon Basin: Application of satellite radar altimetry. Journal Of Geophysical Research, v. 107, n. D20, p , 2002 CALMANT, S.; SEYLER, F.(2006). Continental surface waters from satellite altimetry. Comptes Rendus Geoscience, v. 338, p , CONCHY, T. S. X.; SILVA, J. S. da.; CALMANT, S.; SEYLER, F. (2011). Caracterização da variabilidade espacial e sazonal do regime hidrológico da bacia do rio Japurá com aplicação de altimetria espacial. XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos. Maceió, COSTI, A. C. Z. (2012). Avaliação de dados altimétricos de níveis de água adquiridos por satélite ENVISAT na bacia amazônica. ENC/FT/UnB, mestre, Tecnologia ambiental e recursos hídricos. Brasília, HERNÁNDEZ, J. G. L.; MEJIA, J. R.; VARGAS, V. (2009). Series temporales de niveles de agua em estaciones virtuales de la cuenca amazónica a partir de la altimetria radar por satélite. Revista ingeniera e investigacion, Vol. 29, nº 1, abril de 2009 ( ). SILVA, J. S.; CALMANT, S.; SEYLER, F.; ROTUNNO FILHO, O. T.; COCHONNEAU, G.; MANSUR, W. J. (2010). Water levels in the Amazon basin derived from the ERS 2 and ENVISAT radar altimetry missions. Remote Sensing of Environment. 114, pp SILVA, J. S.; CALMANT; SEYLER, F. (2013). Variabilidade espacial do nível d água na Bacia Amazônica durante eventos extremos in Secas na Amazônia: Causas e consequências. Org. por BORMA, L. de S.; NOBRE, C. Oficina de textos. São Paulo, VALS. (2015). Virtual Altimetry Station. Versão 1.4, maio de 2011 COCHONNEAU, G.; CALMANT, S. Disponível em: < Acesso em: 31 de março de XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8