ESTIMATIVA DA EVAPOTRANSPIRAÇÃO REAL DIÁRIA UTILIZANDO UMA IMAGEM DIGITAL TM LANDSAT 5 E O ALGORITMO SEBAL

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1 ESTIMATIVA DA EVAPOTRANSPIRAÇÃO REAL DIÁRIA UTILIZANDO UMA IMAGEM DIGITAL TM LANDSAT 5 E O ALGORITMO SEBAL C. C. C. Machado 1 ; B. B. Silva 2 ; M. B. Albuquerque 3 ; J. D. Galvíncio 4 RESUMO: À medida que se torna imperiosa a eficiente gestão dos recursos hídricos, aumenta a necessidade de determinar com acurácia os elementos do ciclo hidrológico, dentre os quais se destaca a evapotranspiração (ETr). Este trabalho tem por objetivo: (1) estimar a ETr para uma área situada na região Sul do litoral Pernambucano, com presença de cultivo de cana-de-açúcar, solo exposto, mata e mangue, usando imagens do satélite Landsat 5 TM e o algoritmo SEBAL e (2) validar o algoritmo SEBAL. Para isso, foram usadas duas imagens do satélite Landsat 5 - TM, de órbita e ponto 214/066, com datas de passagem em 26 de agosto de 2006 e 6 de setembro de 2010, ambas recortadas para enquadrar o litoral Sul de Pernambuco. Os resultados mostraram a capacidade do SEBAL de propiciar a variabilidade espacial da ETr, com capacidade de distinguir diferentes ocupações do solo. As estimativas da ETr obtidas pelo algoritmo apresentaram uma boa concordância com os resultados obtidos pelo método da FAO- Penman-Monteith demonstrando, dessa forma, a potencialidade da técnica. PALAVRAS-CHAVE: Balanço de energia, validação, Pernambuco. ASSESSMENT OF DAILY ACTUAL EVAPOTRANSPIRATION USING TM LANDSAT 5 DIGITAL IMAGES AND SEBAL ALGORITHM SUMMARY: Nowadays, an efficient water resources administration becomes imperious and, consequently, the need to determine the hydrologic cycle elements with accuracy, essentially evapotranspiration (ETr), increases. This work main objectives are: (1) to estimate ETr in an area of exposed soil, sugar cane crops, swamp and forest, using SEBAL algorithm and Landsat 5 TM images and (2) to validate SEBAL algorithm. In order to achieve that, two Landsat 5 TM images from orbit and point (214/066) of August 26 th of 2006 and September 6 th of 2010, framing Pernambuco (Brazil) south coast. The results showed SEBAL ability to show the space variability of ETr, which allows to distinguish different soil uses. ETr estimates obtained with SEBAL algorithm showed good agreement with the results obtained by the FAO-Penman- Monteith method, demonstrating the technique high potential. KEYWORDS: Energy balance, validation, Pernambuco 1 Bióloga, Doutoranda em Geografia, Centro de Filosofia e Ciências Humanas, Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), Av. Prof. Moraes Rego, Cidade Universitária, Recife - PE - CEP: Fone (81) celiamachado.machado@gmail.com 2 Meteorologista, Professor Visitante, Centro de Filosofia e Ciências Humanas, UFPE, Recife PE. 3 Engenheiro Agrónomo, Professor Adjunto I, Centro de Ciências Agrárias, UFPB, Areia PB. 4 Matemático, Professor Adjunto III, Centro de Filosofia e Ciências Humanas, UFPE, Recife PE

2 INTRODUÇÃO O melhoramento dos meios de manejo dos recursos hídricos constitui um dos principais objetivos de praticamente todos os países do planeta. À medida que se torna imperiosa a eficiente gestão dos recursos hídricos, aumenta a necessidade de determinar com acurácia e sofisticação os elementos do ciclo hidrológico, dos quais se destaca a evapotranspiração. O conhecimento da evapotranspiração real (ETr) das culturas e da vegetação em geral é de grande importância para a gestão adequada de bacias hidrográficas, para a modelagem climática e hidrológica e no manejo hídrico da agricultura irrigada, sendo fundamental para uma correta programação da irrigação (Allen et al., 2002). De entre os diversos métodos que utilizam o sensoriamento remoto para estimar os fluxos de energia da superfície, destaca-se o algoritmo SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land), proposto por Bastiaanssen (1995), aplicado com êxito em diversos ecossistemas do globo na obtenção da ETr (Bastiaanssen et al., 1998; Silva et al., 2005; Bezerra et al., 2008; Teixeira et al., 2009). A ETr é determinada com o SEBAL a partir da quantificação da densidade de fluxo de calor latente (LE), obtido como resíduo da equação do balanço de energia. Esse algoritmo pode ser aplicado em imagens digitais de qualquer sensor orbital que efetue medidas de radiância no visível, infravermelho próximo e termal, tais como: Mapeador Temático do satélite Landsat 5, NOAA-AVHRR, Terra/MODIS e Terra/ASTER. Este trabalho tem por objetivos: (1) estimar a ETr para uma área situada na região Sul do litoral Pernambucano, com presença de cultivo de cana-de-açúcar, solo exposto, mata e mangue, usando duas imagens do satélite Landsat 5 TM e o algoritmo SEBAL; e (2) comparar os resultados estimados pelo SEBAL com os dados de superfície obtidos em estação meteorológica e utilizando o método da FAO-Penman-Monteith numa cultura de cana-de-açúcar. MATERIAL E MÉTODOS ÁREA DE ESTUDO A área estudada fica localizada na região sul do litoral Pernambucano incluindo a foz do Rio Formoso e do Rio Una e as cidades de Tamandaré e Barreiros. O recorte estudado (UTM Esquerdo: N , E249004; UTM Direito: N , E278944) inclui a Reserva Biológica de Saltinho, correspondente a um remanescente de Mata Atlântica de 548 ha, uma extensa área de mangue situada ao redor dos rios Formoso e Una, vastas áreas de cultivo de cana-de-açúcar, que por constituir uma das atividades econômicas mais importantes da região, ocupa a maior parte da área estudada e solo exposto, na maioria das vezes, correspondente a bancos de areia e áreas de recente corte da cana. O clima é Tropical Atlântico com precipitações entre 1500 e 1800 mm, podendo em algumas regiões ultrapassar os 2000 m. O relevo é do tipo baixada litorânea, com planícies costeiras de origem sedimentar de baixa altitude e predominância de morros e colinas formações onduladas e melonizadas.

3 PROCESSAMENTO DAS IMAGENS DE SATÉLITE E MÉTODO SEBAL Procedeu-se ao processamento de duas imagens do Mapeador Temático do satélite Landsat 5, cedidas pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), da órbita e ponto 214/066 com datas de passagem a 26 de agosto de 2006 e 6 de setembro de Os dados meteorológicos utilizados para a estimativa das componentes do balanço de energia e da ETr foram obtidos a partir da consulta do arquivo de dados meteorológicos da plataforma de coleta de dados, posto Barreiros (UTM N , E258720) disponibilizado pelo LAMEPE (Laboratório de Meteorologia de Pernambuco). Para o cálculo da ETr no cultivo de cana próximo à estação foi utilizado o método da FAO-Penman-Monteith, tendo sido usado um kc = 0,8, respeitando o estado fenológico da cana em ambas as imagens e conforme recomendado pela FAO 24 (Doorenbos & Pruitt, 1977). De acordo com o algoritmo SEBAL, a evapotranspiração é obtida após conversão do valor instantâneo de LE (W m -2 ), em ETr (mm) total das 24 h. O LE é obtido como resíduo da equação clássica do balanço de energia à superfície (equação 1). LE = Rn - H - G (eq.1) onde Rn é o saldo de radiação, LE a densidade de fluxo de calor latente, H a densidade de fluxo de calor sensível e G a densidade de fluxo de calor no solo, todos em W m -2. A metodologia completa pode ser encontrada em Bastiaanssen (1995), Silva et al. (2005) e Bezerra et al., (2008). RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Figura 1 estão representadas as imagens da ETr para os dias estudados. As áreas de cor vermelha representam valores de ETr menores que 2,0 mm.dia -1, que correspondem a áreas de solo exposto, bancos de areia e/ou vegetação muito rala. Resultados muito próximos foram encontrados no Cariri por Bezerra et al. (2008) e por Wang et al. (2005) em áreas de deserto e vegetação esparsa no estado americano do Novo México. Por outro lado, as áreas em azul-escuro correspondem a valores de ETr superiores a 5,5 mm.dia -1. Observa-se que esses valores concentram-se na Reserva Biológica de Saltinho, em corpos de água e nas nuvens. Os maiores índices de vegetação (IAF > 3) encontrados na mata da Reserva de Saltinho justificam os valores elevados de ETr encontrados. A ETr da cultura da cana-de-açúcar variou entre 4 e 5 mm.dia -1 e as áreas de Mangue apresentaram valores entre 4,5 e 5,5 mm.dia -1. A cana, para além de apresentar um menor índice de vegetação (IAF 2), é uma planta do tipo C4 que apresenta uma maior eficiência de uso da água e, por isso, perde menos água por evapotranspiração (Larcher, 2000). A ETr variou bastante entre as imagens estudadas, principalmente nas áreas de solo exposto e de cana. A imagem de 2006 apresentou uma média de 4,75 mm.dia -1 e a de 2010 de 5,52 mm.dia -1. Ambas as imagens apresentavam culturas de cana-de-açúcar na mesma fase fenológica (cerca de 10 meses), por isso, as diferenças encontradas entre as imagens se devem principalmente à elevada precipitação ocorrida nos cinco dias precedentes ao imageamento de 2010, cerca de 23 mm. Na imagem de 2006, choveu apenas 6 mm, nesse mesmo intervalo de tempo. Na Tabela 1 faz-se a comparação entre a ETr medida pelo método FAO-Penman-Monteith e a estimada pelo SEBAL, utilizando como referência uma cultura de cana-de-açúcar situada próxima à estação. Observa-se que os erros absolutos e relativos foram baixos, com 0,5 mm.dia -1 de erro

4 absoluto e 10,8 % de erro relativo em setembro de 2010 e 0,06 mm.dia -1 de erro absoluto e 1,43 % de erro relativo em agosto de Comparando com resultados obtidos por outros autores conclui-se que os resultados obtidos nesta pesquisa foram muito satisfatórios. Trezza (2002), após comparar medidas lisimétricas e as estimativas do SEBAL encontrou erros absolutos inferiores a 1 mm.dia -1. Wang et al. (2005) obtiveram resultados ainda mais satisfatórios, com erros absolutos em torno de 0,5 mm.dia -1. Erros relativos entre 4 e 10% foram encontrados por Bezerra et al. (2008), quando compararam os resultados obtidos com a razão de Bowen e com o SEBAL em cultura de mamona e algodão na mesorregião do Cariri. CONCLUSÕES Os resultados mostraram a capacidade do SEBAL de propiciar a variabilidade espacial da ETr, com capacidade de distinguir diferentes ocupações do solo. As estimativas da ETr obtidas pelo algoritmo SEBAL apresentaram uma boa concordância com os resultados obtidos pelo método da FAO-Penman-Monteith demonstrando, dessa forma, a potencialidade da técnica. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALLEN, R. G., TREZZA, R.; TASUMI, M. Surface energy balance algorithms for land. Advance training and users manual, version 1.0, 98p ALLEN, R.; TASUMI, M.; TREZZA, R. Satellite-based energy balance for mapping evapotranspiration with internalized calibration (METRIC) Model. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, v.133, n.395, p BASTIAANSSEN, W.G.M. Regionalization of surface flux densities and moisture indicators in composite terrain, dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Agricultural Engineering, Wageningen Agricultural University, Wageningen, Netherlands BASTIAANSSEN, W.G.M. Remote Sensing in Water Resources Management: The State of the Art. International Water Management Institute, Colombo, Sri Lanka, 118p BEZERRA, B.G.; SILVA, B.B. da.; FERREIRA, N.J. Estimativa da evapotranspiração real diária utilizando-se imagens digitais TM-Landsat 5. Revista Brasileira de Meteorologia, v.23, p , COURAULT, D.; SEGUIN, B.; OLIOSO, A. Review on estimation of evapotranspiration from remote sensing data: from empirical to numerical modeling approaches. Irrigation and Drainage Systems, v.19, p GOMES, H.B; SILVA, B.B.; CAVALCANTI, E.P.; ROCHA, H.R. Balanço de radiação em diferentes biomas no estado de São Paulo mediante imagens Landsat 5. Geociências, v. 28, p , LARCHER, W. Ecofisiologia Vegetal. São Carlos, RiMa. São Paulo.529p SILVA, B.B. da; LOPES, G. M.; AZEVEDO, P. V. Balanço de Radiação em Áreas Irrigadas Utilizando Imagens Landsat 5 TM. Revista Brasileira de Meteorologia, v.20, n.2, p TEIXEIRA, A.H. de C.; BASTIAANSSEN, W.G.M., AHMAD, M.D.; BOS, M.G. Reviewing SEBAL input parameters for assessing evapotranspiration and water productivity for the Low-Middle São Francisco River basin, Brasil Part A: Calibration and validation. Agricultural and Forest Meteorology, v.149, p

5 TREZZA, R. Evapotranspiration using a satellite-based surface energy balance with standardized ground control. Thesis (Doctor of Philosophy in Biological and Agricultural Engineering). Utah State University. Logan, Utah. 247p WANG, J., KIMURA, R.; BASTIAANSSEN, W. Monitoring ET with Remote Sensing and the Management of Water Resources on a Basin Scale, 11th CEReS International Symposium on Remote Sensing, Chiba, Japan Tabela 1. Evapotranspiração real diária da cultura de cana-de-açúcar pela técnica FAO-Penman-Monteith e pelo algoritmo SEBAL e os valores de erro absoluto e relativo. Dia do Ano Cultura ETr ETr Erro Absoluto Erro Relativo SEBAL FAO-Penman- (mm.dia -1 ) Monteith (mm.dia -1 (mm.dia -1 ) (%) ) 238 Cana-de-açúcar 4,13 4,19 0,06 1, Cana-de-açúcar 5,13 4,63 0,5 10,80 Figura 1. Imagens da ETr diária na área de estudo para os dias 26 de agosto de 2006 e 06 de setembro de 2010.