Utilização do EVI e Albedo da superfície para análise das mudanças ambientais em parte do município de Corumbá, MS e Ladário, MS

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1 Utilização do EVI e Albedo da superfície para análise das mudanças ambientais em parte do município de Corumbá, MS e Ladário, MS Célia Cristina Clemente Machado 1 Tiago Henrique de Oliveira 1 Josiclêda Domiciano Galvíncio 1 Josemary Santos e Silva 1 1Universidade Federal de Pernambuco UFPE Dept. Ciências Geográficas Av. Prof. Moraes Rego, CEP: Cidade Universitária, Recife - PE cmachado@ci.uc.pt thdoliveira5@gmail.com josicleda@hotmail.com josy.santos04@gmail.com Resumo. O Índice de realce da vegetação (EVI) e o Albedo da superfície, obtidos por técnicas de sensoriamento remoto, têm-se revelado importantes ferramentas no monitoramento e gestão dos recursos naturais. Estes índices foram utilizados neste estudo para avaliar como seus valores variam em diversos alvos e para detectar alterações de uso e cobertura do solo numa área localizada no bioma do Pantanal. Para isso foram utilizadas 2 imagens do Mapeador Temático do satélite Landsat 5 da órbita e ponto 227/073 com datas de passagem em 29 de maio de 1987 e 06 de maio de 2008, processadas e analisadas em ambiente GIS e um mapa da vegetação (PROBIO Pantanal). Foi observada uma diminuição da cobertura vegetal principalmente a sudoeste da cidade de Corumbá refletindo-se em valores de EVI baixos e valores de Albedo da superfície altos. A mata e vegetação secundária foram fundamentalmente substituídas por faixas de agricultura intercaladas por remanescentes da vegetação precedente. O EVI demonstrou ser eficiente na separação entre corpos hídricos, solo alagado e cobertura vegetal densa, enquanto o Albedo da superfície separou com mais clareza as zonas com atividade antrópica dos restantes alvos. Palavras chave: Pantanal, sensoriamento remoto, EVI, albedo da superfície, Landsat 5 TM, cobertura vegetal. 460

2 Abstract. The Enhanced Vegetation Index (EVI) and the Surface Albedo, obtained by remote sensing techniques, have been revealing to be important tools for the monitoring and management of natural resources. Those indexes were used in this study to evaluate their values changes in several targets and to detect changes in soil use and cover in an area localized in the Pantanal biome. For this, two images from the Thematic Mapper of the Landsat 5 satellite from the orbit and point 227/073 were used with dates of passage on May 29, 1987 and May 06, 2008, processed and analyzed in GIS environment and a vegetation map (PROBIO Pantanal). A reduction in plant cover was observed mainly in southwest of Corumbá city reflecting low EVI values and high Surface Albedo values. Forest and secondary vegetation were fundamentally substituted by strips of agriculture inserted in remainders of the precedent vegetation. EVI proved to be efficient to separate bodies of water from flooded soil and dense vegetation, while Surface Albedo separated the anthropic activities areas from the remaining targets with more clarity. Key-words: Pantanal, Remote sensing, EVI, Surface Albedo, Landsat 5 TM, plant cover. 1. Introdução As técnicas de sensoriamento remoto têm sido amplamente utilizadas nas últimas décadas como ferramenta para a gestão e monitoramento dos recursos naturais. Através do Sensoriamento remoto é possível obter Índices de vegetação e valores de Albedo da superfície extremamente úteis para a caracterização ambiental de amplas áreas. Os índices de vegetação têm sido utilizados em diversos trabalhos que buscam relacionar as informações captadas pelos sensores com a vegetação presente na área imageada. Indicam a abundância relativa e a atividade da vegetação verde (Jensen, 2009). Um índice de vegetação atualmente amplamente utilizado é o Índice de Realce da Vegetação (Enhanced Vegetation Index EVI) proposto por Huete et al. (1997) e desenvolvido para promover a redução das influências atmosféricas e do solo de fundo do dossel no monitoramento da vegetação (Justice et al., 1998). O EVI parece ser mais sensível à variação da estrutura do dossel, incluindo o Índice de Área Foliar (IAF), a fisionomia da planta e a arquitetura do dossel (Huete, 2002). O albedo da superfície corresponde à razão entre as radiações de ondas curtas refletidas e incidentes. O albedo varia em função do comprimento de onda conforme a reflectância do local e é também dependente das condições de iluminação (Lopes & Valeriano, 2007). Pode ser usado para demonstrar mudanças de cobertura da superfície e ao longo do ciclo de desenvolvimento da planta, varia em função do grau de cobertura vegetal, tipo e estado de umidade do solo e do ar e quantidade e tipo de cobertura de nuvens (Azevedo et al., 1990). 2. Objetivo O objetivo deste trabalho é avaliar a importância do EVI e do Albedo da superfície na detecção de mudanças de uso e cobertura do solo, incluindo dos padrões da cobertura vegetal, estimando e avaliando seus valores nos diversos alvos da área em estudo. 3. Material e Métodos 3.1. Área de estudo A área de estudo (Figura 1) compreende o município de Ladário e parte de Corumbá localizados no bioma Pantanal no estado de Mato grosso do Sul. Corumbá é a terceira cidade mais populosa do estado de Mato Grosso do Sul e o município de Ladário, com km 2, situa-se seis quilômetros abaixo da cidade do Corumbá. Ambos apresentam a pecuária como principal atividade econômica, facilitada pelos abundantes pastos naturais. O Pantanal é uma das maiores extensões úmidas contínuas do planeta, constituída principalmente por savana estépica alagada em sua maior parte. Apresenta clima tipo tropical úmido, sendo quente no 461

3 verão e frio e seco no inverno. Entre outubro e maio verifica-se a época chuvosa onde grande parte das terras são alagadas. Figura 1. Mapa de localização da área de estudo. Imagem do satélite Landsat 5 TM de obtida pelo acesso ao catálogo de imagens do INPE. Combinação das bandas em RGB Processamento das imagens de satélite O pré-processamento das imagens de satélite, o cômputo dos índices escolhidos e a montagem final dos layout foram realizados utilizando o programa Erdas Imagine 9.3 e ArcGis 9.3 (licença do Departamento de Ciências Geográficas da UFPE). As imagens de satélite utilizadas foram do Mapeador Temático do satélite Landsat 5, cedidas pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), da órbita e ponto 227/073 com datas de passagem em 29 de maio de 1987 e 06 de maio de As imagens foram registradas tomando como base os dados do radar SRTM, obtidos através do acesso ao site TOPODATA, sendo depois recortadas para a área de estudo, permitindo a avaliação de áreas com presença de solo exposto, influência antrópica, vegetação com influência fluvial, áreas agrícolas e pastagem, floresta estacional e savana. Para a validação destes alvos foi utilizada a base de dados gerados através do projeto PROBIO Pantanal, cujo objetivo foi classificar o bioma em regiões fitoecológicas. Os coeficientes de calibração utilizados nesta pesquisa são os propostos por Chander e Markham (2003) (Tabela 1). 462

4 Tabela 1. Descrição das bandas do Mapeador Temático (TM) do Landsat 5, com os correspondentes intervalos de comprimento de onda, coeficientes de calibração (radiância mínima a e máxima b) e irradiâncias espectrais no topo da atmosfera (TOA). Bandas Comprimento de Onda (µm) Coeficiente de Calibração (Wm sr µm ) De 01/03/1984 até Após 05/05/ /05/2003 a b a b Irradiância Espectral no Topo da Atmosfera (Wm Banda 1 (azul) 0,45 0, Banda 2 (verde) 0,52 0, Banda 3 (vermelho) 0,63 0, Banda 4 (IV-próximo) 0,76 0, Banda 5 (IV-médio) 1,55 1, Banda 6 (IV-termal) 10,4 12, Banda 7 (IV-médio) 2,08 2, ,67 µm 2 1 Para obtenção do Albedo da superfície, aplicou-se a metodologia proposta por Bastiaanssen et al. (1998a: 1998b) e amplamente utilizada por Silva et al. (2005). Para o EVI utilizou-se a equação de Huete et al. (1997): 3.3. Calibração Radiométrica Consiste na conversão do número digital (ND) de cada pixel da imagem em radiância espectral monocromática. Essa radiância representa a radiação solar refletida por cada pixel em cada banda (L λi ), por unidade de área, de tempo, de ângulo sólido e de comprimento de onda. A equação utilizada é a proposta por Markham e Baker (1987) (Equação 1): bi a i Lλi = a i + ND (1) 255 em que a e b são as radiâncias espectrais mínimas e máximas (Wm 2sr 1µm 1 ), ND é a intensidade do pixel (número inteiro compreendido entre 0 e 255) e i corresponde as bandas (1, 2,... e 7) do satélite Landsat Reflectância Trata-se da razão entre o fluxo radiante refletido e o fluxo radiante incidente obtida segundo a equação (Allen et al., 2002) (Equação 2): π.lλi ρλi = (2) kλi.cos Z.d r onde L λi é a radiância espectral de cada banda, K λi é a irradiância solar espectral de cada banda no topo da atmosfera (Wm 2 µm 1, Tabela 1), Z é o ângulo zenital solar e d r é o quadrado da razão entre a distância média Terra-Sol (r o ) e a distância Terra-Sol (r) em dado dia do ano (DSA) Albedo planetário (αtoa) O albedo não corrigido (Equação 3) representa o cômputo do albedo no topo da atmosfera e é obtido pela combinação linear das reflectâncias monocromáticas: α toa = 0,293ρ1+ 0,274ρ2+ 0,233ρ3+ 0,157 ρ4+ 0,033ρ5+ 0,011ρ7 (3) onde ρ 1,ρ 2,ρ3,ρ 4, ρ5 e ρ 7 são as reflectâncias das bandas 1, 2, 3, 4, 5 e 7. ) 463

5 3.6. Transmissividade Atmosférica Em condições de céu claro, pode ser obtida por Allen et al. (2002) (Equação 4) 5 τsw = 0, z (4) onde z é a altitude de cada pixel (m). Tratando-se de uma grande área com grande variação de altitude, utilizou-se um Modelo Digital de Elevação (MDT) da área reamostrado para 30m, de forma a coincidir com a resolução espacial das imagens do satélite landsat 5 TM Albedo à superfície (α) O cômputo do albedo da superfície ou albedo corrigido os efeitos atmosféricos é obtido pela equação (Equação 5): αtoa αp α = 2 τsw (5) onde α p é a radiação solar refletida pela atmosfera e τsw é a transmissividade atmosférica (Eq.4). O valor de α p utilizado foi 0,03, recomendado por Bastiaanssen (2000) Índice de Vegetação: EVI Este índice pode ser obtido pela equação (Equação 6) proposta por Huete et al. (1997): EVI = G ρ IVP ρ IVP ρv + C1* ρv C2 * ρ A + L (6) onde ρ ivp é a reflectância no infravermelho próximo, ρ v é a reflectância no vermelho, ρ A é a reflectância no azul, C1 é o coeficiente de correção dos efeitos atmosféricos para o vermelho (6), C2 é o coeficiente de correção do efeitos atmosféricos para o azul (7,5), L é o fator de correção para a interferência do solo (1) e G é o fator de ganho (2,5). 4. Resultados e Discussão 4.1. EVI Pela análise dos valores estatísticos do índice de vegetação EVI verifica-se uma diminuição nos valores médios de 8,7% entre as imagens em estudo. Em relação ao coeficiente de variação nota-se uma grande variabilidade nos valores de EVI em ambas as imagens analisadas. Tal fato indica alta heterogeneidade de usos e cobertura do solo (Tabela 2). Tabela 2. Valores estatísticos do EVI para os dias e EVI Mínimo Máximo Média 464 Desvio Padrão Coeficiente de Variação (%) ,784 0,977 0,437 0,212 48, , ,399 0,183 45,86 Observando a distribuição espacial do EVI (Figura 2), verifica-se uma diminuição mais acentuada dos seus valores a sudoeste da cidade de Corumbá. Comparando a Figura 2 com as classes de vegetação e de uso e cobertura do solo, elaboradas através do Programa Biodiversidade (PROBIO, 2004), notou-se uma correspondência entre determinados valores

6 de EVI e algumas classes de vegetação (Figura 3). Desta forma foi possível qualificar os valores de EVI em seis classes de acordo com o mapa da PROBIO. Figura 2. EVI estimado para os dias e Figura 3. Mapa de vegetação e uso e ocupação do solo. Modificado de: PROBIO Pantanal. Os corpos hídricos e áreas com solo muito alagado correspondem a valores de EVI inferiores a 0 e a classe de valores que variam entre 0 e 0,08 representa áreas com solo alagado observado pela análise conjunta entre as imagens de satélite em falsa cor e o mapa de EVI. 465

7 As áreas classificadas pelo PROBIO (2004) como zonas de influência urbana e domínio de gramíneo-lenhosas da Savana (Cerrado) variam no mapa de EVI entre 0,081 e 0,25. Valores de EVI entre 0,251 e 0,4 correspondem essencialmente à agricultura e a alguma savana estépica, gramíneo-lenhosas e vegetação com influência fluvial (PROBIO, 2004). Esta última classe de valores de EVI duplicou em área entre as datas analisadas. A classe de EVI que varia entre 0,4 e 0,55 representa parque sem floresta de galeria, vegetação secundária e floresta estacional decidual submontana (Mata) e semi-decidual aluvial (PROBIO, 2004). Valores de EVI superiores a 0,55 estão relacionados com vegetação decidual submontana e das terras baixas (mata, mata seca e mata calcária) e vegetação secundária. Esta classe representava 47,53% da imagem de 1992, mas na imagem de 2007 passou a representar apenas 21,95%. Pelo exposto se conclui que houve uma mudança no padrão da cobertura vegetal. Esta alteração é particularmente visível a sudoeste da cidade de Corumbá onde as matas e a vegetação secundária verificadas em 1992 foram essencialmente substituídas por faixas de agricultura intercaladas por remanescentes da vegetação precedente (Figura 5). Este resultado está de acordo com a pesquisa realizada pela Embrapa (2005) onde se observou, através da análise de imagens de satélite, um aumento das áreas desmatadas no planalto do Corumbá entre 1988 e Albedo da superfície Os valores estatísticos obtidos para o albedo da superfície demonstraram um aumento no valor médio de 15,4% entre as datas analisadas. Os valores de albedo estimados estão de acordo com o citado na literatura onde se refere que os valores de albedo da superfície terrestre variam entre 5 e 55 % dependendo do grau de verde, minerais e propriedades físicoquímicas do solo (Vianello, 1991; Liu, 2006). Analisando a distribuição espacial do albedo da superfície (Figura 4) é possível verificar que a diminuição dos valores de albedo ocorreu principalmente a sul e sudoeste da cidade de Corumbá. Figura 4. Albedo da superfície estimado para os dias e

8 As áreas classificadas pela PROBIO (2004) como áreas com influência urbana e mineração apresentaram valores de albedo superiores a 0,22 (correspondente, em porcentagem, a valores superiores a 28%). Oliveira (2009) encontrou para a bacia hidrográfica do rio Moxotó valores superiores a 30% em áreas com desenvolvimento de algum tipo de atividade antrópica. Silva et al. (2006) encontraram para o município de Petrolina valores de albedo superiores a 35% em áreas com presença de solo exposto e com influência urbana. Na imagem de 2008, esta classe de valores de albedo corresponde a uma área quatro vezes superior à existente na imagem de As áreas onde o albedo da superfície varia entre 0,14 e 0,18 (entre 17 e 22%) correspondem essencialmente a zonas com desenvolvimento de agricultura e pastagem (PROBIO, 2004). Valores de albedo da superfície entre 10 e 25% foram encontrados para áreas com agricultura irrigada numa área do estado de Alagoas por Novas (2008) e na bacia do rio Gediz, na Turquia (Bastiaanssen, 2000). Esta classe de valores de albedo correspondia na imagem de 1987 a 4,85%, enquanto que em 2008, passou a representar 18% da área da imagem. De acordo com o mapa da PROBIO (Figura 3), valores de albedo que variam entre 0,1 e 0,14 (12 e 17%) correspondem a áreas com floresta estacional, vegetação arborizada e vegetação secundária. Oliveira (2009) encontrou estes valores de albedo na bacia hidrográfica do rio Moxotó em áreas superiores a 550m onde predomina vegetação de porte arbustiva fechada e arbustiva arbórea fechada. As áreas correspondentes aos menores valores de albedo (inferior a 0,1) correspondem principalmente a corpos hídricos e solo alagado. Solo úmido pode apresentar valores de albedo duas vezes inferior ao solo seco. Albedo de solo úmido ou encharcado é significantemente menor do que albedo do solo seco (Oliveira, 2009). Nesta classe estão também incluídas áreas que segundo a PROBIO (2004) correspondem a gramíneo lenhosas e vegetação arborizada. O mapa de albedo não permitiu uma distinção clara entre estes alvos. No entanto, é possível verificar que na parte sul e leste da imagem de 1987 a área de solo alagado era mais extensa do que na imagem de A tendência geral é de áreas com vegetação mais densa apresentar os menores valores de albedo enquanto áreas com algum tipo de atividade antrópica, tal como agricultura e influência urbana, apresentar os maiores valores de albedo. Este resultado está de acordo com diversos trabalhos (Bastiaanssen, 2000; Silva et al., 2006; Oliveira, 2009). Assim como observado no comportamento do EVI, o albedo demonstra entre as datas em estudo uma mudança no padrão da cobertura vegetal. Verifica-se um aumento significativo de áreas com agricultura e pastagem, principalmente a sudoeste da cidade de Corumbá (Figura 5). 467

9 Figura 5. EVI e Albedo da superfície para o dia com sobreposição dos dados de vegetação e uso e cobertura do solo da PROBIO (2004) pormenor da parte sudoeste da cidade de Corumbá. 5. Conclusões De forma geral, verificou-se uma diminuição da cobertura vegetal entre as datas em estudo. Detectou-se uma mudança no padrão de cobertura vegetal que foi mais expressiva a sudoeste da cidade de Corumbá: as áreas onde predominava matas, vegetação arborizada e secundária foram substituídas por faixas de agricultura e pastagens intercaladas por resmanescentes da vegetação precedente. O visível desenvolvimento de atividades antrópicas provocou um aumento nos valores de albedo da superfície de algumas áreas entre as datas analisadas. O mapa de EVI permitiu distinguir com mais nitidez os corpos hídricos, as áreas alagadas e a vegetação mais densa do que o mapa de albedo. No entanto, este distingue de forma mais clara as áreas com algum tipo de atividade antrópica (influência urbana, mineração e agricultura) do que o mapa de EVI. EVI e albedo da superfície são inversamente correlacionados, mas esta relação não é linear simples justificando a sua complementaridade. Quando a resposta de um satura, o outro continua estimando. Posto isto, conclui-se que uma análise conjunta do índice de vegetação EVI e do albedo da superfície possibilita uma caracterização temporal eficaz das tendências ambientais de uma área. 6. Referências Allen, R. G.; Tasumi, M.; Trezza, R. SEBAL (Surface Energy Balance Algorithms for Land). Advance Training and Users Manual Idaho Implementation, version 1.0, 97p

10 Azevedo, P.V.; Leitão, M.M.V.B.R.; Sousa, I.F.; Maciel, G.F. Balanço de radiação sobre culturas irrigadas no semi-árido do Nordeste do Brasil. Revista Brasileira de Meteorologia, Rio de Janeiro, v.5, n.1, p , Bastiaanssen, W.G.M. SEBAL Based sensible and latent heat fluxes in the irrigated Gediz Basin, Turkey. Journal of Hydrology, v. 229, p , Bastiaanssen, W.G.M.; Menenti, M.; Feddes, R. A.; Holtslag, A.A.M.A. Remote Sensing Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) 1. Formulation. Journal of Hydrology, v , p , 1998a. Bastiaanssen, W.G.M.; Pelgrum, H.; Wang, J.; Moreno, Y.M.J.; Roerink, G.J.; Van Der Wal, T. The Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) 2. Validation. Journal of Hydrology, : , 1998b. Chander, G.; Markham, B. Revised Landsat-5 TM Radiometric Calibration Procedures and Postcalibration Dynamic Ranges. IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING. v. 41. n EMBRAPA organizado por Aquino, L.B.C.; Padovani, C.R.. Evolução do Desmatamento no Planalto de Corumbá pela Análise de Imagens de Satélite. Boletim de pesquisa - Embrapa Pantanal, v.62, p.1-32, Huete, A.; Didan, K.; Miura, T.; Rodriguez, E. P.; Gao, X.; Ferreira, L. G. Overview of the radiometric and biophysical performance of the MODIS vegetation indices. Remote Sensing of Environment, n. 83, p , Huete, A.; Liu, H.Q.; Batchily, K.; Leween, W. A comparison of vegetation indices over a global set of TM images for EOS-MODIS. Remote Sensing of Environment, n. 59, p , Jensen, J.R. Sensoriamento Remoto do Ambiente Uma Pespectiva em Recursos Terrestres. São José dos Campos: Parêntese Editora, p. Justice, C.O.; Vermote, E.; Townshend. J. R. G.; DeFries, R.; Roy, P. D; Hall, D. K, Salomonson, V.;Privette, J. L.; Riggs, G.; Strahler, A.; Lucht, W.; Myneni, B; Knyazikhin, Y.; Running, W. S.; Nemani, R. R.; Wan, Z.; Huete, A. R.; Leeuwen, W. V.; Wolfe, R. E.; Giglio, L.; Muller, J. P; Lewis, P.; Barnsley, M. The Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS): land remote sensing for global change research. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, v. 36, n. 4, p , Liu, W. T. H. Aplicações de sensoriamento remoto. Campo Grande MS: UNIDERP, p. Lopes, P.M.O.; Valeriano, D.M. Validação do albedo da superfície terrestre obtido dos dados do sensor MODIS em regiões montanhosas. In: Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, 13., 2007, Florianópolis. Anais... Florianópolis: INPE, P Markham, B.L.; Barker, L.L. Thematic mapper bandpass solar exoatmospherical irradiances. International Journal of Remote Sensing, v. 8, n. 3, p , Novas, M.F.B. Mapeamento das estimativas de saldo de radiação e índices de vegetação em área do estado de Alagoas com base em sensores remotos. Dissertação de Mestrado em Meteorologia. UFAL Instituto de Ciências Atmosféricas, Maceió, Oliveira, T.H. Balanço de Radiação da bacia hidrográfica do Rio Moxotó-PE através de imagens TM Landsat-5 e ETM+ Landsat 7. Monografia (Bacharelado em Geografia), Departamento de Ciências Geográficas DCG Universidade Federal de Pernambuco - UFPE, PROBIO. Projeto de Conservação e Utilização Sustentável da Diversidade Biológica Brasileira PROBIO. Edital PROBIO 02/2004. Levantamento dos remanescentes da cobertura vegetal dos biomas brasileiros. Ministério do Meio Ambiente:Brasília, abril de 2004, 14p. Silva, B. B. da; Bezerra, M. V. C.; Braga, A. C.; Silva, S. T. A. da. Obtenção do albedo de áreas irrigadas e de vegetação nativa em Petrolina e vizinhanças com imagem Landsat 7 ETM+. In: Simpósio Regional de Geoprocessamento e Sensoriamento Remoto, 3., 2006 Aracajú. Anais..., Aracajú SE, Silva, B.B.; 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 , Vianello, R. L.; Alves, A. R. Meteorologia básica e aplicações. Viçosa: Impr. Univ., p. 469