15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

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1 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental Comparação da temperatura de brilho de superfície do período seco com o chuvoso no Distrito Federal calculada a partir de imagens do Landsat 8. Eleudo Esteves de Araújo Silva Junior 1 ; Newton Moreira de Souza 2 Resumo Com o lançamento do oitavo satélite da série Landsat contendo a bordo dois sensores, o OLI (Operational Land Imager) e o TIRS (Termal InfraRed Sensor) para os quais foram disponibilizadas as equações de calibração bem como seus parâmetros, ficou mais acessível o cálculo de índices radiométricos de forma padronizada. A temperatura de brilho da superfície terrestre, um dos atributos que podem ser avaliados no mapeamento geotécnico, pode ser calculada com dados das duas bandas térmicas do TIRS. Este trabalho objetivou verificar se os resultados dos valores obtidos com essas duas bandas apresentavam diferenças e nesse caso qual o valor dessa diferença e se elas obedecem a um padrão. Complementarmente avaliou-se a relação da temperatura com a cobertura do solo e a diferença obtida na análise de dois períodos climáticos distintos: seco e chuvoso. Os valores de temperatura calculados com as bandas térmicas do sensor TIRS a bordo do Landsat 8 apresentam pequena diferença nos seus resultados, sendo as temperaturas calculadas com a banda 10 maiores que as calculadas com a banda 11. Em relação aos resultados obtidos com as imagens dos dois períodos climáticos citados, as temperaturas do final do período seco são maiores cerca de 11 C do que as do final do período chuvoso. Quanto às coberturas, foi observada uma boa relação entre as formas de cobertura do solo e as temperaturas calculadas com ambas as bandas. Abstract With the release of the eighth satellite of the Landsat series containing two sensors on board, the OLI (Operational Land Imager) and the TIRS (Thermal InfraRed Sensor) for which and the calibration equations were available as its parameters, was more accessible calculation radiometric indexes in a standardized manner. The brightness temperature of the Earth's surface, one of the attributes that can be evaluated in geotechnical mapping, can be calculated with data from the two thermal bands of the TIRS. This study aimed to verify that the results of the values obtained with these two bands had differences and if so what value this difference and if they follow a pattern. In addition it evaluated the relationship of temperature with the ground cover and the difference obtained in the analysis of two distinct climatic periods: dry and rainy. The temperature values calculated with the thermal bands of the TIRS sensor onboard Landsat 8 show little difference in their results, and the temperatures calculated with the band 10 larger than those calculated with the band 11. In relation to the results obtained with the images of cited two climatic periods, the dry spell the end temperatures are higher than the end of the rainy season. With regard to the coverage, a good relationship between the soil cover forms and temperatures calculated with both bands was observed. Palavras-Chave Landsat 8; Temperatura de brilho; Distrito Federal. 1 Prof. MSc Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília. Doutorando do Programa de Pósgraduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. eleudo@unb.br 2 Prof. Dr. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília, Programa de Pós-graduação em Geotecnia. nmsouza@unb.br 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1

2 1. INTRODUÇÃO Segundo Zuquette & Gandolfi (2004) existem mapas e cartas que retratam dados e informações sobre o meio físico, tais como geológicos e pedológicos. A elaboração desses documentos baseia-se em procedimentos específicos que resultam no mapeamento geotécnico de forma a apresentar dados e informações para os profissionais da Geotecnia auxiliando na tomada de decisões desde a implantação de obras civis até o planejamento urbano e a gestão ambiental. A temperatura de brilho da superfície do solo é um desses dados ou atributos que podem ser identificados, caracterizados e classificados na Cartografia Geotécnica. A depender da cobertura do solo, essa temperatura pode servir de indicador das condições sócio ambientais relacionadas, inclusive, com a degradação do solo decorrentes das diversas formas de apropriação do meio físico. As diversas formas de uso antrópico do meio ambiente são determinantes dos valores de absorção e emissão de radiância na superfície terrestre. A temperatura de brilho corresponde à temperatura obtida pela radiância emitida pela superfície terrestre, no caso do Landsat 8 medida entre 10h e 10h30. De acordo com Santos (1993) as áreas urbanas podem ser consideradas como um meio ambiente construído, resultado da diversidade de classes, níveis de renda, acesso a serviços essenciais, infraestrutura e elementos morfológicos do espaço urbano. Nesse aspecto, a paisagem configura-se como um conjunto heterogêneo e a dinâmica dos fenômenos térmicos urbanos é resultado das diferentes formas de apropriação, uso e cobertura do meio físico geológico. A série de satélites Landsat (Land Remote Sensing Satellite) foi iniciada em 1972, com o ERTS 1 ou Landsat 1. O principal objetivo do sistema Landsat é o mapeamento multiespectral da superfície da Terra. O Landsat 5 e o Landsat 7 deixaram de operar em meados de 2012 e, em fevereiro de 2013, foi colocado em operação o Landsat 8. Esse novo satélite da série Landsat possui a bordo dois sensores, o OLI (Operational Land Imager) e o TIRS (Termal InfraRed Sensor). Entre os canais de aquisição radiométrica estão incluídas nove bandas multiespectrais e uma pancromática do sensor OLI e duas bandas do TIRS na região do infravermelho térmico, a Banda 10 e Banda 11 correspondentes às faixas do espectro eletromagnético de 10,60 a 11,19 µm e de 11,50 a 12,51 µm, respectivamente. As informações dos produtos da série Landsat estão disponíveis na página do Serviço Geológico dos Estados Unidos da América do Norte (USGS, 2014), nela são encontradas as equações para correções radiométricas de forma a se calcular o valor de radiância e refletância de cada uma das bandas do sensor OLI, bem como o cálculo da temperatura com base na radiância das bandas 10 e 11 do sensor TIRS. Neste artigo procurou-se avaliar os valores das temperaturas obtidas com cada uma dessas bandas baseada na medida de suas diferenças. Complementarmente foram avaliadas as características da cobertura do solo associada a cada faixa de temperatura obtida com cada banda e a diferença obtida na análise de dois períodos climáticos distintos do Distrito Federal: seco e chuvoso. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Para este artigo foram calculadas as temperaturas utilizando as imagens do Landsat 8, da órbita 221 ponto 71 correspondentes a passagem de 13 de setembro de 2013 e 29 de maio de Essas datas coincidem com o final dos períodos seco e chuvoso do Distrito Federal. As imagens foram fornecidas por cortesia do USGS após realização de cadastro. As temperaturas obtidas a partir dos valores de níveis de cinza das bandas 10 e 11 foram avaliadas com base nas diferenças de temperatura resultantes de cada uma dessas bandas e de diferentes datas. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 2

3 O cálculo da temperatura de brilho de superfície foi realizado a partir de algoritmos de operações aritméticas já disponíveis bem como escrevendo um programa na linguagem Legal (linguagem espacial para geoprocessamento algébrico) do programa Spring (Camara et al., 1996) desenvolvido pelo Instituto de Pesquisas Espaciais (INPE) e distribuído gratuitamente na Web. A temperatura de brilho da superfície de todo o Distrito Federal foi calculada utilizando-se as equações fornecidas na página do Landsat e os parâmetros encontrados no arquivo de metadados que acompanham os arquivos das imagens. Segundo informações da página do Landsat (USGS, 2014) a radiância (Lλ) de cada uma das bandas pode ser calculada segundo a seguinte equação: Lλ = ML x Qcal + AL (1) Sendo: ML e AL parâmetros obtidos no arquivo de metadados das imagens e Qcal o nível de cinza das imagens dos sensores do Landsat 8. Para o cálculo da temperatura em graus Célsius (T) utiliza-se a seguinte equação: T = K2/Ln ((K1/Lλ)+1) 273 (2) Sendo K1 e K2 parâmetros contidos no arquivo de metadados das respectivas imagens e Lλ obtido pela equação (1). 3. RESULTADOS 3.1. Imagens do período seco Os resultados do cálculo de temperatura de brilho das imagens do período seco constam em Souza & Silva Junior (2015). As Figuras 1 e 2 correspondem às temperaturas para as bandas 10 e 11 da data 13 de setembro de 2013, respectivamente. Figura 1. Temperaturas baseadas na imagem da banda 10: imagem 13 de setembro de º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 3

4 Figura 2. Temperaturas baseadas na imagem da banda 11: imagem 13 de setembro de As temperaturas de brilho calculadas com as bandas 10 e 11 variam predominantemente de 25 a 41 C com média de 34 C e 33 C para as bandas 10 e 11, respectivamente. Os histogramas dos valores calculados com cada uma das bandas podem ser vistos na Figura 3. Figura 3. Histogramas dos valores de temperaturas calculados com as bandas 10 e 11: imagem 13 de setembro de Os valores das diferenças entre as bandas foram calculados se utilizando uma operação aritmética disponível no programa Spring. Os resultados podem ser vistos na Figura 4 e representam os valores de temperaturas calculados pela banda 11 subtraídos dos calculados com a banda º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 4

5 Figura 4. Diferença das temperaturas calculadas pelas bandas 11 e 10: imagem de 13 de setembro de Com base nas medidas do plano de informação referentes à diferença de temperatura entre as bandas temos que 40,7% da área as diferenças de temperatura estão entre -1 a 0 C, 48,3% estão entre -1 e -2 C e apenas 4,6% são maiores que 0 C e 6,4% menores que -2 C Imagens do período chuvoso Em relação ao período chuvoso, as imagens utilizadas datam de 29 de maio de Os cálculos das temperaturas de brilho obtidas com cada uma das bandas resultaram em planos de informação da categoria de modelo numérico de terreno os quais permitem a visualização em uma escala continua, bem como se fazer uma avaliação estatística dos resultados. As temperaturas calculadas com as bandas 10 e 11 variam predominantemente de 17 a 31 C com média de 23 e 21 C para as bandas 10 e 11, respectivamente. Os histogramas dos valores calculados com cada uma das bandas podem ser vistos na Figura 5. Figura 5. Histogramas dos valores de temperaturas calculados com as bandas 10 e 11: imagem de 29 de maio de º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 5

6 As Figuras 6 e 7 correspondem às temperaturas para as bandas 10 e 11 da data 29 de maio de 2014, respectivamente. Figura 6. Temperaturas baseadas na imagem da banda 10: imagem de 29 de maio de Figura 7. Temperaturas baseadas na imagem da banda 11: imagem de 29 de maio de º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 6

7 Os valores das diferenças entre as bandas foram calculados da mesma forma. Os resultados podem ser vistos na Figura 8 e representam os valores de temperaturas calculados pela banda 11 subtraídos dos calculados com a banda 10. Assim, os valores negativos indicam que os valores calculados com a banda 10 são maiores que os calculados pela banda 11 e os valores positivos indicam que os valores calculados com a banda 11 são maiores que os calculados com a banda 10. Figura 8. Diferença das temperaturas calculadas pelas bandas 11 e 10: imagem de 29 de maio de Comparando as Figuras 6, 7 e 8 pode-se observar que para as menores temperaturas os valores calculados pela banda 10 foram subestimados em relação aos calculados com a banda 11. Para as maiores temperaturas ocorreu o contrário, ou seja, os valores calculados pela banda 11 é que foram subestimados em relação aos calculados com a banda 10. Com base nas medidas do plano de informação referentes à diferença de temperatura entre as bandas temos que 65,9% da área as diferenças de temperatura estão entre -2 a -1 C, 32,8% estão entre -1 e 0 C e apenas 1,3% são menores que -2 C. Os dados de temperatura obtidos com as imagens para os períodos citados foram organizados na Tabela 1. Tabela 1. Relação de temperaturas entre os períodos. Período seco Período chuvoso Banda 10 Banda Banda 10 Banda Temperatura mínima ( C) Temperatura máxima ( C) Média ( C) º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 7

8 Na Tabela 1 pode ser observado que as médias das temperaturas obtidas com dados das mesmas bandas em datas diferentes (período seco e chuvoso) variam cerca de 11 C sendo as do período seco maiores que as do chuvoso Análise das coberturas do solo associadas às faixas de temperatura Em relação às coberturas do solo, foi observada uma boa relação entre as formas de cobertura e as temperaturas calculadas com ambas as bandas (Tabela 2). Nessa tabela pode ser observado que pequenas diferenças ocorrem para temperaturas abaixo de 30 C (período seco) e 20 C (período chuvoso) e que, para as temperaturas maiores que 33 C (período seco) e 23 C (período chuvoso), praticamente correspondem às áreas com baixa qualidade ambiental onde ocorrem áreas urbanas pouco arborizadas, campos limpos, solos expostos e áreas queimadas. Tabela 2. Relação entre as temperaturas obtidas com as bandas 10 e 11 e a cobertura do solo - períodos seco e chuvoso Temp. período seco ( C) Temp. período chuvoso ( C) Cobertura do Solo Banda 10 Cobertura do Solo Banda Reservatórios de água Reservatórios com água profunda Borda dos reservatórios de água Silviculturas, matas galerias exuberantes e agricultura irrigada Matas de galerias, cerradão, silviculturas e agricultura irrigada Reservatórios de água e agricultura irrigada Silviculturas, matas galerias exuberantes e agricultura irrigada Matas de galerias, cerradão, silviculturas Cerrado, silvicultura Cerrado, silvicultura e áreas urbanas bem arborizadas Cerrado, campo e áreas urbanas bem arborizadas Áreas urbanas e campo Áreas urbanas, campo Áreas urbanas e solo exposto Solo exposto Solo exposto Solo exposto e áreas queimadas Solo exposto e áreas queimadas Solo exposto e áreas queimadas Áreas queimadas Áreas queimadas Áreas queimadas Áreas queimadas Áreas queimadas 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 8

9 Nas faixas de temperaturas mais baixas, isto é, abaixo dos 33 C no período seco e 22 C no chuvoso, têm-se corpos d água e cobertura do solo vegetadas, desde as matas de galerias, cerradão, silviculturas, agricultura irrigada e áreas urbanas bem arborizadas, ou seja, áreas de boa qualidade ambiental. Nas faixas de temperaturas mais elevadas, acima de 33 C no período seco e 22 C no período chuvoso, têm-se áreas com baixa qualidade ambiental tais como solos expostos, áreas queimadas e áreas urbanas pouco arborizadas. 4. CONCLUSÕES Os valores de temperatura de brilho da superfície do solo calculados com as bandas 10 e 11 do sensor TIRS a bordo do Landsat 8 com base nas imagens do dia 13 de setembro de 2013 apresentam pequena diferença nos seus resultados sendo que para as temperaturas entre 33 e 43 C foi onde se concentram as maiores diferenças. Em apenas 4,6% da área a temperatura calculada com a banda 11 é maior que a calculada com a banda 10. As diferenças maiores que 2 C ocorreram em apenas 6% da área. Em relação aos dados obtidos com as imagens do dia 29 de maio de 2014, em 99,9% da área a temperatura calculada com a banda 10 é maior que a calculada com a banda 11. Observa-se tanto nas imagens do período seco quanto nas do chuvoso que para as menores temperaturas os valores calculados pela banda 10 foram subestimados em relação aos calculados com a banda 11, enquanto que para as maiores temperaturas ocorreu o contrário, isto é, os valores calculados pela banda 11 é que foram subestimados em relação aos calculados com a banda 10. Em ambos os casos as temperaturas calculadas com a banda 10 são em torno de 1º C maiores que as calculadas com a banda 11, confirmando os resultados obtidos por Souza & Silva Junior (2015). Em relação aos resultados obtidos com as imagens dos dois períodos climáticos citados, as médias das temperaturas do final do período seco são cerca de 11 C maiores do que as do final do período chuvoso. Quanto às coberturas do solo, foi observada uma boa relação entre as formas de cobertura e as temperaturas calculadas com ambas as bandas, apresentando áreas de boa qualidade ambiental relacionadas às temperaturas mais baixas e áreas de baixa qualidade ambiental relacionadas às temperaturas mais elevadas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao USGS pela cortesia das imagens Landsat. REFERÊNCIAS CAMARA G, et al. (1996). Spring: Integrating remote sensing and GIS by object-oriented data modelling. Computers & Graphics, 20: (3) SOUZA, N.M., SILVA JUNIOR, E.E.A. (2015). Uso de imagens Landsat 8 para o cálculo de temperatura de brilho de superfície. 9º Simpósio Brasileiro de Cartografia Geotécnica e Geoambiental, ABGE, Cuiabá, MT, 5 p. CD-ROM SANTOS, M. (1993) A Urbanização Brasileira. Ed. Hucitec, São Paulo, 157 p. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 9

10 USGS (2014). United State Geological Survey. Acesso em outubro de ZUQUETTE, L.V., GANDOLFI, N. (2004). Cartografia geotécnica. Oficina de Textos, São Paulo, SP, 190 p. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1 0