Uso do NDVI para determinação da biomassa na chapada do Araripe. Ziany Neiva Brandão 1,2 Marcus Vinícius Cândido Bezerra 2 Bernardo Barbosa da Silva 2

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1 Uso do para determnação da bomassa na chapada do Ararpe Zany Neva Brandão 1, Marcus Vnícus Cânddo Bezerra Bernardo Barbosa da Slva 1 Empresa Braslera de Pesqusa Agropecuára - EMBRAPA/CNPA Caxa Postal Campna Grande - PB, Brasl zany@cnpa.embrapa.br Unversdade Federal de Campna Grande UFCG/ Deptº de Meteorologa Rua Aprígo Veloso, 88 Bodocongó CEP Campna Grande - PB, Brasl markusvynycyus@yahoo.com.br e bernardo@dca.ufcg.edu.br Abstract: Many studes have demonstrated the usefulness of optcal ndces from remote sensng data n the assessment of vegetaton bophyscal varables both n forestry and n agrculture. In ths sense, ths work was developed to experment a new approach to fnd out the accumulated above ground bomass, usng satellte mages. To reach ths goal, the Monteth s model was used to estmate the photosynthetcally absorbed actve radaton (APAR) and Feld s model was used to determne the lght use effcency. These models were adjusted wth some standard meteorologcal measurements, to establsh the energy balance parameters and the bomass assessment. The lght use effcency was determned, and the surface energy balance algorthm for land (SEBAL) was used to descrbe the spato-temporal varablty n land wetness condtons. The nfluence of n the estmaton of the accumulated aboveground bomass was evaluated. The model performs satsfactorly and the values obtaned were compared wth those found n the lterature. Keywords: Remote Sensng, Bomass,, Sensoramento Remoto, Bomassa, IVDN. 1. Introdução Atualmente há um nteresse crescente em agrcultura de precsão e no desenvolvmento de sstemas especalstas para a gerênca de recursos florestas e agrculturas. Estes novos sstemas auxlam na avalação das condções geras da cultura conduzndo a um aumento da produtvdade, otmzação dos lucros e proteção do meo-ambente. Assm, as técncas de sensoramento remoto vêm cada vez mas sendo aprmoradas por fornecer nformações precsas e valosas, devdo a seu potencal na medção de parâmetros bofíscos com detecção de sua varabldade tanto temporal como espacal. (Moran et al., 1997; Daughtry et al., ). Para a agrcultura e ecologa é fundamental a compreensão dessas varações do acúmulo de bomassa acma do solo, tanto para determnação da quantdade de carbono retdo pela vegetação, como para determnação da produtvdade das culturas agrícolas e a avalação da necessdade hídrca das mesmas. Dferentes métodos têm sdo desenvolvdos para estmar produtvdades de culturas por meo de dados de satélte. Um deles é o desenvolvmento de relações empírcas entre o ( Normalzed Dfference Vegetaton Index ) e a produtvdade da cultura, mas com o nconvenente de que a maora dos métodos usando essas relações estatístcas têm um forte caráter empírco, com coefcentes de correlação de moderados a baxo (Sharma et al., 1993). Estas aproxmações empírcas requerem excessvos programas de medção de campo para coletar dados da produtvdade, que em grande escala torna-se dfícl e com custos elevados. Atualmente mutas pesqusas estão voltadas para métodos de determnação da bomassa que sejam precsos como os convenconas, mas que também não agrdam o meo ambente e sejam de baxo custo. Dessa forma, o uso de algumas técncas aladas ao sensoramento remoto vem se tornando uma alternatva mportante para obtenção de estmatvas precsas e 75

2 confáves da atvdade fotossntétca em larga escala. Uma grande quantdade de lteratura sugere que o modelo da produção de bomassa proposto por Monteth (197) baseado na radação solar e no desenvolvmento das folhas tem grande potencal, e que pode ser aplcado conjuntamente aos dados de satélte para predções do crescmento da bomassa e da produtvdade das culturas (Monteth, 197; Daughtry et al., 199; Gower et al., 1999). Entretanto, para a conversão da atvdade fotossntétca na quantdade de bomassa acumulada nesse modelo, se faz necessáro a estmatva da efcênca do uso da luz, bem como o cálculo da fração evaporatva dára. Assm, o prncpal objetvo desse trabalho fo estmar o acúmulo da bomassa na Regão de Barbalha, CE (7 o 18 4 S, 39 o W), analsando a nfluênca do IVDN (Índce de Vegetação da Dferença Normalzada), no mesmo período. Para estmatva do valor da bomassa acumulada fo utlzado o modelo da radação fotossntetcamente atva absorvda (APAR), de Monteth (197), para a vegetação verde, e o modelo de efcênca da luz de Feld (1995). Para a determnação do balanço de energa e avalação da evapotranspração, usamos uma plataforma de parametrzação de fluxos de calor baseada na análse espectral de magens obtdas por satéltes, SEBAL (Surface Energy Balance Algorthm for Land), combnada ao algortmo CASA (Carnege Ames Stanford Approach), que calcula a APAR, e que, juntamente com dados de superfíce, fnalza a estmatva da bomassa acumulada (Bastaanssen e Al, 3; Bradford et al, 5; Feld et al, 1995). Materal e Métodos A regão de estudo consstu da área próxma à estação expermental da Embrapa Algodão, localzada no muncípo de Barbalha, CE, na regão nordeste do Brasl, entre as coordenadas geográfcas de 6 53 e 7 33 de lattude sul e e 39 6 de longtude oeste, conforme mostra a Fgura 1, em falsa cor (R-5, G-4, B-3). Fgura 1: Regão de estudo em Barbalha, CE (7 o 18 4 S, 39 o W), em parte da chapada do Ararpe. Foram desenvolvdos modelos baseados na ferramenta de parametrzação SEBAL, e no algortmo CASA, sendo calculadas ncalmente as refletâncas monocromátca dos canas de nteresse a serem utlzadas na determnação do balanço de radação e de energa, de acordo com o método desenvolvdo por Bastaanssen et al. (), e sendo dada por: ( π R ) ( 1/ k Z d ) ρ = cos (1) onde R é a radânca espectral de cada banda, e k é a rradânca solar espectral no topo da atmosfera. Z é o ângulo zental solar e d é o nverso do quadrado da dstânca relatva Terra- Sol, fornecdo em undade astronômca (UA). 76

3 Com as refletâncas calculadas, determnamos o, que é um ndcador sensível da quantdade e das condções da vegetação e o Índce de Área Folar (LAI), que é um bom ndcador da bomassa. Para seu cálculo fo também fo determnado o Índce de Vegetação Ajustado para os efetos do Solo (SAVI) defndo por Huete, (Huete, 1998; Allen et al, ; Brandão et al., 5). Após a determnação dos índces de vegetação, foram obtdos os componentes do balanço de radação R n, que leva em consderação a radação de ondas curtas ncdente, R s, dada em (W/m ), o albedo da superfíce, a radação de onda longa emtda, a radação de onda longa ncdente, e a emssvdade termal da superfíce. Assm fo possível determnar o balanço de energa, dado por: = G + H + λet () R n onde R n é a radação líquda na superfíce (W/m ), G é o Fluxo de Calor no Solo (W/m ), H é o Fluxo de Calor Sensível (W/m ), e λet é o Fluxo de Calor Latente (W/m ), e são valores obtdos através da magem. No SEBAL calculamos a fração evaporatva (Λ), que é um parâmetro usado como entrada no algortmo CASA para determnação da bomassa, conforme mostra o dagrama da Fgura. Fgura : Uso dos modelos CASA e SEBAL para determnação da bomassa acumulada acma da superfíce A fração evaporatva nstantânea, que traduz as alterações devdo à umdade do solo, é consderada smlar a de 4h, e é usada para calcular a evaporação real de 4h dos fluxos nstantâneos do calor latente como: ( E R G) Λ = λ (3) O fluxo do calor latente (λe) assocado com as perdas evaporatvas é o processo domnante da troca da energa em áreas vegetadas. A radação de ondas curtas ncdente, n 77

4 (R S ), fornece a energa para a fotossíntese, a transpração e a evaporação, tornando assm o seu estudo um bom meo de estmar as trocas da energa na atmosfera. Após a obtenção dos componentes do balanço de radação e de energa, também foram obtdos os valores para a radação fotossntetcamente atva absorvda e para a bomassa acumulada, através do algortmo CASA. A Radação Fotossntetcamente Atva-PAR (,4-,7 μm), que é parte da radação solar de ondas curtas ncdente (R s ) (,3-3, μm) é potencalmente útl para a fotossíntese. A PAR vara prncpalmente com a vsbldade, a camada de ozôno e a cobertura de nuvens. Entretanto, um valor aceto para representar a PAR deve estar entre 45 e 5% do valor da R s em 4 horas. Assm, calculamos a PAR como: ( ) PAR =, 48 Rn4 W m (4) Como nem toda a PAR é absorvda, fo mostrado que a Porção Absorvda da Radação Fotossntetcamente Atva (APAR) se relacona com a PAR pela segunte equação: ( ) APAR = f PAR W m (5) A fração f=apar/par mantém uma relação não-lnear com o índce de área folar (LAI). Entretanto, uma aproxmação lnear de f, que fo dervada matematcamente das refletâncas nas faxas espectras do vermelho e nfra-vermelho próxmo, fo obtda por Bastaanssen et al., 3, e é dada por (Bastaanssen et al., 3): ( ) f =,161+ 1,57 (6) Assm, f pode ser defndo como a proporção da radação dsponível em faxas específcas do espectro onde a vegetação absorve a radação fotossntetcamente atva..1 Determnação da bomassa acumulada Para obtenção da bomassa acumulada, fo usado o produto da APAR pelo fator ε, que é a efcênca do uso da luz, e é afetada pela umdade do solo, sendo dfícl de quantfcar devdo à sua varabldade temporal e espacal, estando relaconada à temperatura de superfíce como um ndcador para o teor de umdade (Bradford, 5). Assm, ε fo determnado consderando as varações sazonas, e também os dferentes bomas, sendo dada por (Feld, 1995): ' ε x, t = ε x, t T x, t T x, t Λ g MJ (7) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 onde ε, é a varável corrgda no tempo e no espaço do fator de efcênca da luz, ε, é o valor unformzado máxmo global dado como.5(g.mj -1 ) e Λ é a fração evaporatva nstantânea. As temperaturas T 1 e T estão relaconadas ao ajuste do crescmento da planta pela temperatura onde: { exp(, 1 )} 1 { 1 exp[,3( )] } + T T + T + T 1 T 1, (8) = opt men opt men onde T opt é a temperatura méda durante o mês de máxmo, e T men é a méda mensal da temperatura do ar. A temperatura T 1 é dada por: [ ] (,T opt ), ( T ) T1 =,8 + 5 (9) opt Após a determnação da efcênca do uso da luz, ε, temos que a bomassa acumulada é dada por: Bo _ Acum = APAR ε ' T T Λ K. g m (1) 1 ( ) 78

5 onde Bo_Acum é a bomassa acumulada acma do solo no período t; ε é o fator de efcênca da luz. A equação (1) é a base do CASA, onde fo calculada a bomassa através dos dados de sensoramento remoto, tendo seus valores avalados sob a nfluênca do. 3. Resultados e Dscussão O médo para as áreas vegetadas estudadas fo de,336, tendo varado entre,56 e,7911, onde a APAR dára fcou na faxa de 4,84 a 11,18 (W/m ). Bomassa da regão Sem-densa (t/ha) y = 477,8x - 8,393 R =,995 1,4,45,5 (a) Bomassa para regão da Chapada (t/ha) y = 536,54x - 67,651 R =,9998 7,64,66,68,7,7,74,76 (b) Bomassa para área de veg. natva (t/ha) y = 58,54x - 97,441 R =,8 1,,,4,6,8,3,3 (c) Bomassa para área de veg. rala (t/ha) y = 14,49x - 14,87 R =,7473,1,1,14,16,18,,,4 (d) Fgura 3: Relação entre o e a bomassa total para seguntes áreas de estudo: (a) regão de vegetação sem-densa, (b) topo da chapada do Ararpe, descrta como vegetação densa, (c) área de vegetação natva, e (d) área de vegetação rala. Dvdmos nossos resultados em quatro grupos de vegetação, seleconadas por faxa do, que são: vegetação densa, sem-densa, natva e rala. A vegetação densa é uma área florestada localzada acma da chapada, enquanto que a sem-densa está em suas encostas. A maor parte da regão, cerca de 6%, é coberta por vegetação natva (arbustos), com agrcultura caracterzada como c 3. A vegetação rala (na maor parte gramíneas, e pequenos arbustos apresentando áreas de solo exposto) fo encontrada em 11% da regão estudada. A magem fo escolhda para um período de alto, e a méda desse fo de,336. Na área florestada acma da chapada, o comportou-se como esperado, varando de 64 a 7%, com uma bomassa equvalente varando de 7 a 334 ton/ha, como mostra a Fgura 3. Devdo aos altos valores do para essa regão, o valor médo da bomassa fo elevado. Os resultados mostraram-se coerentes com as observações de campo, especalmente para as regões de densdade alta a méda de vegetação, justfcando seu uso para determnação do LAI e da bomassa verde. 79

6 Bomassa (kg/m) De acordo com a varação da cobertura do solo e condções de umdade, a efcênca da luz ε varou de,61 a,74 (g/mj), onde usamos ε =,5 g/mj, consderando os fatores que alteram a efcênca da luz como otmzados. O crescmento da bomassa se apresenta numa faxa de,73 a 333,433 (ton/ha). Os valores médos para os parâmetros obtdos estão apresentados na Tabela 1. Tabela 1: Valores médos dos parâmetros obtdos para o da 9 de setembro de 5 para a regão de Barbalha, CE. Parâmetros ε Bomassa APAR (g/mj) (ton/ha) (W/m ) Veg.Densa (Chapada),74, ,695 11,179 Veg. Sem-densa,484,45 13,49 74,134 Vegetação Natva,178,7 46,181 3,788 Vegetação Rala,61,177 8,3 4,846 A Fgura 4 apresenta os valores médos dáros para a bomassa acumulada e o. Observa-se que para cada tpo de vegetação, ao aumentar o a bomassa acumulada acma da superfíce é ncrementada proporconalmente. Entretanto, os valores médos entre faxas dstntas do são bem dferentes, tendo-se, por exemplo, um aumento de três vezes o valor da bomassa acumulada da vegetação sem-densa ( na faxa de,4-,6), com relação à vegetação natva ( na faxa,-,4). Os valores obtdos são semelhantes aos encontrados na lteratura, nas mesmas faxas espectras. A área com cobertura de árvores é responsável por aproxmadamente 66% da bomassa estmada, o que explca o alto valor para a regão da chapada, onde o está acma de 6% Bomassa Acumulada Sem-DENSA DENSA NATIVA RALA (a) Índce de Vegetação da Dferença Normalzada,8,7,6,5,4,3,, Fgura 4: Valores médos extraídos das magens, escolhdos em subconjuntos de 15 pxels para: (a) a Bomassa acumulada, e (b) o. Sem-DENSA DENSA NATIVA RALA (b) 4. Conclusão A estmatva para a efcênca do uso da luz (ε) através do método CASA fornece valores muto consstentes para a bomassa acumulada. Estudos posterores podem tomar como base a varação de ε para dversas culturas em condções de alta evapotranspração, como é o caso da regão nordeste do Brasl. Os valores obtdos para a bomassa acumulada e o carbono foram compatíves com a lteratura, consderados as mesmas faxas espectras seleconadas para o. O método proposto poderá ser aplcado para quasquer satéltes que possuam faxas espectras semelhantes ao Landsat e contrburá sgnfcatvamente para a estmatva de parâmetros agronômcos, como produtvdade e défct hídrco, através da determnação da bomassa, com baxo custo e sem agredr o meo ambente. 8

7 Referêncas Allen, R., Bastaanssen, W., Waters R., Tasum M., Trezza R., Waters Consultng Unversty of Idaho WaterWatch, Inc. e Nelson, Brtsh Columba Kmberly, Idaho Wagenngen. The Netherlands. Surface Energy Balance Algorthms for Land - Advanced Tranng and Users Manual, Idaho Implementaton, Verson 1., Idaho,. Baret, F., & Guyot, G.. Potentals and lmts of vegetaton ndces for LAI and APAR assessment. Remote Sensng Envronment, v.35, p , Bastaanssen, W.G.M., Molden, D. J., Makn, Ian W., Remote sensng for rrgated agrculture: examples from research and possble applcatons, Agrcultural Water Management, v.46, p ,. Bastaanssen, W.G.M e Al, S., A New Crop Yeld Forecastng Model Based on Satellte Measurements Appled Across the Indus Basn, Pakstan. Agrculture Ecosystems and Envronment, v.94, pg.31-34, 3. Bradford, J.B., Hcke, J.A., e Lauenroth, W. K., The relatve mportance of lght-use effcency modfcatons from envronmental condtons and cultvaton for estmaton of large-scale net prmary productvty.remote Sens. of Envronment, v.96, pg , 5. Brandão, Z. N., Bezerra, M. V. C., Frere, E.C. e Slva B. B., Determnação de Índces de Vegetação usando Imagens de Satélte para uso em Agrcultura de Precsão. In: V Congresso Braslero de Algodão, V CBA, Salvador, BA, 5. Anas. Campna Grande: CNPA, 5. CD-ROM On-lne. Dsponível em: < Daughtry, C. S. T., Gallo, K. P., Goward, S. N., Prnce, S. D., & Kustas, W. D. Spectral estmates of absorbed radaton and phytomass producton n corn and soybean canopes. Remote Sensng Envronment, v.39, p , 199. Daughtry, C. S. T., Walthall, C. L., Km, M. S., Brown de Colstoun, E., & McMurtrey III, J. E. Estmatng corn leaf clorofla concentraton from leaf and canopy reflectance. Remote Sensng Envronment, v.74, p.9 39,. Feld, C.B., Randerson, J.T., e Malmstrom, C.M. Global net prmary producton: combnng ecology and remote sensng. Remote Sensng of Envronment. v.51, p.74 88, Gower, S.T., Kuchark, C.J., Norman, J.M. Drect and ndrect estmaton of leaf area ndex, fapar, and net prmary producton of terrestral ecosystems. Remote Sensng Envronment. v.7, p.9 51, Huete, A.R., A sol adjusted vegetaton ndex (SAVI). Remote Sensng of Envronment, v. 5, p.95-39, Monteth, J.L. Solar radaton and productvty n tropcal ecosystems. J. Appl. Ecol. V.9, p , 197. Moran, M. S., Inoue, Y., & Barnes, E. M.. Opportuntes and lmtatons for mage-based remote sensng n precson crop management. Remote Sensng of Envronment, v.61, p , Sharma, T., Sudha, K.S., Rav, N., Navalgund, R.R., Tomar, K.P., Chakravarty, N.V.K., Das, D.K. Procedures for wheat yeld predcton usng Landsat MSS and IRS-1A data. Int. J. Rem. Sens. v.14, n.13, p ,