Monitoramento dos impactos do Complexo Petroquímico do Rio de Janeiro utilizando dados Landsat

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1 Anas XVI Smpóso Braslero de Sensoramento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasl, 13 a 18 de abrl de 013, INPE Montoramento dos mpactos do Complexo Petroquímco do Ro de Janero utlzando dados Landsat Leandro Rbero Luz de Barros 1 Leonardo de Fara Peres Andrews José de Lucena 3. José Rcardo de Almeda França. Otto Corrêa Rottuno Flho. 1 Unversdade Federal do Ro de Janero Bacharelado em Cêncas Matemátcas e da Terra Ro de Janero - RJ, Brasl leandrorlbarros@gmal.com Unversdade Federal do Ro de Janero - Departamento de Meteorologa Ro de Janero - RJ, Brasl {leonardo.peres, jrcardo}@geo.ufrj.br 3 Unversdade Federal Rural do Ro de Janero Departamento de Geocêncas Seropédca - RJ, Brasl lucenageo@yahoo.com.br 3 Unversdade Federal do Ro de Janero COPPE Caxa Postal Ro de Janero - RJ, Brasl otto@coc.ufrj.br Abstract. Ro de Janero Petrochemcal Complex (COMPERJ) s scheduled to begn operaton n 01. The faclty s located on a 5 square klometers land n Itabora, Ro de Janero. It s expected that COMPERJ constructon ncrease the pressure on local nfrastructure condtons and the envronmental system. Accordngly, ths manuscrpt ams to analyze the mpact of COMPERJ based on remotely sensed data from TM and ETM+ sensors on board Landsat-5 and 7 satelltes, respectvely. The remote sensng data were used n the retreval of land-surface temperature (LST), the normalzed dfference vegetaton ndex (NDVI) and the based bult-up ndex (IBI) for a perod of 8 years allowng the temporal evoluton observaton of these parameters before and after COMPERJ constructon. The temporal evoluton of the TSC, NDVI and IBI was verfed by the Students s t statstcal test conducted at the 5% level. Post-constructon results show a rng of LST concentrc values comng from the colder outer part toward the warmer core. From the outsde to the core, the temperature gradent s close to 8.0 C wth spatal characterstcs smlar to an urban heat sland. LST presents a huge varablty assocated wth weather and clmate condtons and therefore t was not possble confrm based on the Student s test that LST values were ncreased after COMPERJ constructon. On the other hand obtaned results confrm, wthn the sgnfcance level assumed, that NDVI (IBI) has decreased (ncreased) just nsde the constructon area of COMPERJ. Palavras-chave: COMPERJ, Landsat, surface temperature, NDVI, IBI, temperatura da superfíce. 1. Introdução O Complexo Petroquímco do Ro de Janero (COMPERJ), um dos prncpas empreendmentos da hstóra da Petrobras, está prevsto para entrar em operação em 01 no muncípo de Itaboraí e será construído em uma área de 5 qulômetros quadrados. Com um nvestmento estmado em R$ 15 blhões, O COMPERJ é consderado a maor ncatva braslera no setor, e uma das maores no mundo. Prevê-se que dferentes empresas sejam atraídas e se nstalem também nos muncípos vznhos e ao longo do Arco Metropoltano, que lgará Itaboraí, no leste da regão metropoltana do Ro de Janero (RMRJ), ao Porto de Itaguaí, no extremo oeste da RMRJ. Estão prevstos város programas ambentas de suporte e apoo ao desenvolvmento local sustentável. Apesar dos programas planejados, espera-se que 0975

2 Anas XVI Smpóso Braslero de Sensoramento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasl, 13 a 18 de abrl de 013, INPE a construção do COMPERJ aumente a pressão sobre as áreas urbanas e urbanzáves fruto da atração de novos grupos populaconas em busca de trabalho. Este mpacto sobre o uso do solo e a nfra-estrutura dsponível poderá ser anda maor se não houver meddas governamentas adequadas para absorver mão-de-obra, amplar a nfraestrutura e controlar o uso do solo. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetvo nvestgar o mpacto do COMPERJ em seu entorno utlzando dados dos sensores TM e ETM+ a bordo dos satéltes Landsat 5 e 7, respectvamente. Com base no cálculo da temperatura da superfíce contnental (TSC), do Normalzed Dfference Vegetaton Index ou Índce de Vegetação por Dferença Normalzada (NDVI) e do Index Based Bult-up Index ou Índce de Área Construída (IBI), o presente estudo permtu comparar as condções ambentas antes e durante a construção do empreendmento.. Metodologa de Trabalho O COMPERJ está localzado (Fgura 1) no dstrto de Porto das Caxas, no muncípo de Itaboraí, nos lmtes com os muncípos de Cachoeras de Macacu e Guapmrm, dspondo de nfraestrutura logístca. A sua localzação fo estrategcamente escolhda pela Petrobrás, por ser próxma dos portos de Itaguaí e do Ro de Janero, dos termnas de Angra dos Res, Ilhas d Água e Redonda, da Refnara de Duque de Caxas - REDUC, sendo também amparada por rodovas e refnaras das plantas petroquímcas do Ro Polímeros e da Suzano, servndo de excelente canal de escoamento dos produtos. Com o Arco Metropoltano, o escoamento da produção será facltado, já que conecta as rodovas federas, BR-00, BR-116(Norte e Sul), BR-65 e BR-101(Norte e Sul), amplando assm a acessbldade aos Portos de Itaguaí e Ro de Janero. A base de toda a pesqusa concentrou-se na análse de uma base de dados composta por uma sére temporal de 0 magens Landsat-5 e 7 referentes ao período entre 00 e 011. Todas as magens estão stuadas na órbta-ponto 17-76, que abrange a RMRJ, e correspondem ao período matutno. As magens foram georeferencadas no software ENVI.7. Após o georeferencamento, fo realzada a correção radométrca com base nas equações e constantes de calbração presentes no trabalho de Chander et al (009) como parte do préprocessamento dos dados. Com base no trabalho de França e Cracknell (1995) foram adotadas três técncas de mascaramento de nuvens no presente estudo: 1) técnca com base em lmar do valor da reflectânca na banda 3; ) técnca com base em lmar do valor de temperatura de brlho na banda 6 e 3) técnca da razão entre as bandas e 3. Meddas adequadas de TSC são útes aos estudos de clma urbano devdo ao seu papel mportante no balanço de energa à superfíce. Atualmente, a detecção remota por satélte na faxa espectral do nfravermelho termal possu capacdade de examnar a TSC de forma repettva possbltando a extração de séres temporas com adequadas resoluções espacal e temporal para estudos do clma urbano. Entretanto, uma estmatva adequada de TSC a partr de dados de satélte requer levar em conta não só a nfluênca atmosférca, mas também o efeto da emssvdade da superfíce na radânca medda no topo da atmosfera pelo sensor a bordo do satélte. Os sensores TM e ETM+ utlzados no presente estudo apresentam somente um canal cobrndo a faxa espectral do nfravermelho termal,.e., canal 6, e, portanto a únca forma possível de estmar a TSC é com base em métodos mono-canal. A TSC neste estudo fo estmada utlzando a banda 6 do Landsat com base em dferentes hpóteses e parametrzações (Qn et al., 001; Souza e Slva, 005), onde a correção atmosférca é realzada utlzando-se dados meddos na rede convenconal de estações meteorológcas presentes na RMRJ de acordo com a segunte equação: T s = T + T (1) b 0976

3 Anas XVI Smpóso Braslero de Sensoramento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasl, 13 a 18 de abrl de 013, INPE onde T s é a TSC em Kelvn (K), T b é a temperatura de brlho na banda 6 e T é o fator de correção que possblta a estmatva de TSC a partr da temperatura de brlho na banda 6, dado por 1 α B ( Tb ) 1 T α1 = α1 B ( Tb ) T b B ( T ) a () onde B (T ) é a função de Planck descrevendo a radânca emtda por um corpo negro com temperatura T e α 1 e α são defndos como α 1 = τ ε (3) [ + (1 ε τ ] α = τ ) () (1 ) 1 É mportante notar que o fator de correção T leva em conta tanto a nfluênca atmosférca como da emssvdade no snal regstrado pelo nstrumento a bordo do satélte. Desta forma, com o ntuto de obter a TSC com base nas Equações 1- é necessáro conhecer dferentes parâmetros atmosfércos, nomeadamente a transmtânca atmosférca τ e a temperatura méda da camada atmosférca, T a, e também a emssvdade da superfíce contnental ε. A temperatura méda da camada atmosférca fo obtda de acordo com Qun et al (001), da segunte forma T a = 19,73 + 0,909T (5) 0 onde T 0 é a temperatura do ar a m da superfíce. A transmtânca atmosférca τ fo calculada com base numa relação empírca obtda por Souza e Slva (005) 3w τ = ,01 w exp (6) 1+ w onde w é o conteúdo de vapor de água que fo avalado pela equação de Leckner (Iqbal, 1983), a qual utlza como entrada valores de umdade relatva e pressão de saturação de vapor d água. Valores de temperatura do ar a m e umdade relatva foram obtdas de estações meteorológcas presentes na RMRJ. Para a obtenção da TSC, é necessáro anda o conhecmento da emssvdade da superfíce. Como o sensor TM possu canas localzados na regão de 0,6 µm (canal 3) e 0,8 µm (canal ), optou-se por adotar a segunte relação entre a emssvdade da superfíce e o índce de vegetação NDVI de acordo com Van de Grend e Owe (1993) ( NDVI ) ε = 1, ,07 ln (7) onde o NDVI é obtdo conforme a segunte equação (Huete et al. 00) 0977

4 Anas XVI Smpóso Braslero de Sensoramento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasl, 13 a 18 de abrl de 013, INPE ρ ρ 3 NDVI = (8) ρ + ρ 3 onde ρ representa a reflectânca. Além da utlzação do NDVI para o cálculo da emssvdade, este parâmetro também fo utlzado para avalar o mpacto do COMPERJ, pos é um índce que permte dentfcar a presença de vegetação verde na superfíce e caracterzar sua dstrbução espacal bem como a evolução de seu estado ao longo do tempo, sendo um mportante parâmetro para analsar áreas que foram urbanzadas. O tercero parâmetro utlzado no presente estudo é o índce IBI proposto por Xu (008) que permte a dentfcação automátca de áreas construídas em magens de satélte. O IBI se dstngue dos demas índces convenconas por utlzar índces temátcos dervados de dados de satélte em vez de usar dretamente bandas orgnas dos sensores. Três índces temátcos, NDVI, índce de água por dferença normalzada modfcado (MNDWI) e índce de áreas construídas por dferença normalzada (NDBI), são utlzados pelo IBI com o ntuto de representar as três prncpas componentes da pasagem urbana: 1) vegetação; ) água e 3) áreas construídas. O IBI pode ser calculado de uma únca vez sem ser necessáro gerar os três índces antes de calcular o IBI com base na segunte equação ρ ρ 5 ( ρ5 + ρ ) [ ρ ( ρ + ρ3 ) + ρ ( ρ + ρ5 )] ( ρ + ρ ) + [ ρ ( ρ + ρ ) + ρ ( ρ + ρ )] 5 IBI = (9) 5 3 Como um índce normalzado, os resultados varam entre -1,0 e +1,0, sendo os valores postvos e próxmos a 1,0 ndcatvos de área urbana, enquanto valores negatvos e próxmos a -1,0 ndcatvos de área menos urbanzada. Fnalmente, as magens foram agrupadas em dos períodos com o mesmo número de anos, 00 a 007 e 008 a 011, com o ntuto de representar as condções ambentas antes à construção e após a construção do COMPERJ, respectvamente, permtndo analsar a evolução temporal dos parâmetros utlzados e, por consegunte montorar o mpacto do COMPERJ. Posterormente, compóstos de magens de TSC, NDVI e IBI foram calculados com base na méda. As composções resultantes consstem em mapas de méda dos parâmetros menconados para o período anteror e posteror à construção. Na análse temporal dos parâmetros gerados com base nos dados do Landsat fo realzado um teste de hpótese para verfcar se são verdaderas as afrmações sobre os parâmetros das populações como base nas amostras geradas. A utlzação do teste é uma tentatva de dscutr estatstcamente os resultados encontrados para o período. Neste contexto, o teste paramétrco t de Student fo adotado, onde se assume que a dstrbução da amostra é conhecda, como por exemplo, uma dstrbução Normal. Admtu-se um ntervalo de confança de 95% com uma probabldade de erro de 0,05. O teste t de Student fo aplcado para dferença entre médas sob ndependênca consderando-se que as varâncas são supostamente dferentes, com o ntuto de verfcar se duas médas amostras calculadas a partr de banco de dados dferentes são estatstcamente dferentes para o nível de sgnfcânca de 5%. Com base nesta abordagem fo possível avalar uma suspeta a pror: 1) a méda de TSC e IBI (NDVI) para o período após a construção do COMPERJ ( ) é maor (menor) que a méda do período antes da construção (00-007) por conta da modfcação da superfíce resultante da construção do COMPERJ. Dentro deste contexto fo aplcado um teste uncaudal vsto que exste um fundamento a pror, fscamente embasado, para supor que as volações da hpótese nula resultem em valores do teste estatístco sobre um lado partcular da dstrbução nula. Neste caso, consderou-se como hpótese nula, que as médas com base nas amostras consderadas são guas e como hpótese alternatva que uma méda com base numa amostra é

5 Anas XVI Smpóso Braslero de Sensoramento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasl, 13 a 18 de abrl de 013, INPE maor que a outra. De forma resumda e lustratva, na comparação entre os dos períodos, a sentença da hpótese nula é que a méda de TSC, IBI e NDVI da amostra do período após a construção é gual à méda da amostra do período, enquanto que a hpótese alternatva consste em dzer que a méda de TSC e IBI (NDVI) do período posteror é maor (menor) que a méda do período anteror. Fgura 1. Área da RMRJ (à esquerda), onde a regão do COMPERJ é ndcada com o níco da seta vermelha e a amplação da área do COMPERJ (à dreta). 3. Resultados e Dscussão Com base na méda para os dos períodos estudados, uma referente aos anos e outra referente aos anos , a análse prelmnar ndca alterações na TSC e nos índces NDVI e IBI no perímetro ocupado pelo COMPERJ. Analsando-se somente o resultado de TSC para o período (Fgura à dreta), observa-se um anel de valores concêntrcos com valores mas fros advndos da parte mas externa a valores mas quentes em dreção ao núcleo. Desde a área externa até o núcleo, observa-se um gradente térmco próxmo a 8,0 C com característcas espacas típcas a forma de uma lha de calor. Com base nos resultados obtdos para os dos períodos (Fgura ), podemos observar que em geral a TSC para o período anteror à construção do COMPERJ apresenta maores valores. Este comportamento é também observado para toda RMRJ (não mostrado no artgo). Entretanto, a regão do COMPERJ é a únca a apresentar de forma padronzada valores lgeramente maores para o período posteror à construção. Este fato é mostrado de forma mas clara na Fgura 3 (à esquerda), onde é ndcada a dferença entre os dos períodos com valores postvos sendo ressaltados na área do COMPERJ. Com base no teste paramétrco tstudent não é possível afrmar que os valores de TSC nesta regão são realmente mas elevados para o período Pratcamente toda a área apresenta valores sem sgnfcânca. Com notado na Fgura 3 (à dreta), os valores com sgnfcânca representam dferenças por volta de,0 a 5,0 C. Este fato se deve a grande varânca da TSC dentro dos períodos analsados em conjunto com um número de magens anda nsufcentes. Para contornar este nconvenente, sugere-se analsar um número maor de magens amplando desta forma os períodos analsados e anda fazer uma análse com base numa subdvsão sazonal dmnundo assm a varabldade da TSC. É nteressante notar que apesar da TSC estar ntmamente relaconada com o tpo de superfíce, esta é altamente nfluencada pelas condções meteorológcas e clmátcas. De fato, os resultados para magens ndvduas (não mostrado no artgo) ndcam que os valores de TSC antes da construção do COMPERJ, para um determnado da, podem ser tanto maores como menores que os valores referentes ao período posteror à construção e vce e versa. Este fato é observado no nverno e no verão. Portanto, os resultados obtdos no presente trabalho ndcam que a análse temporal de áreas urbanas com base em magens ndvduas de TSC pode resultar em conclusões errôneas. 0979

6 Anas XVI Smpóso Braslero de Sensoramento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasl, 13 a 18 de abrl de 013, INPE As Fguras e 5 mostram respectvamente às médas de NDVI e IBI para os anos (à esquerda) e (à dreta), onde nota-se uma grande varação destes índces. Os índces se mostram nversamente proporconas, sto é, a grande perda de massa vegetada no período posteror à construção concde com um ganho elevado de massa construída. O NDVI sofre uma queda próxma a 0,0 após o níco da construção opondo-se a valores médos de 0,5 antes da construção. Por outro lado, o IBI calculado após a construção apresenta um salto chegando a valores próxmos a 0,1, ao passo que no período antes à construção o índce apresentava valores próxmos à -0,1. Uma observação cudadosa das Fguras e 5 evdencam o mpacto das obras do COMPERJ mostrado através do NDVI e IBI. Pratcamente toda a área de vegetação é substtuída por solo nu, que provavelmente está sendo substtuído por cobertura mpermeável. Sem dúvda, a retração de bomassa e a amplação de massa construída, flagradas pelo NDVI e IBI, explcam os valores mas elevados de TSC. É mportante notar que dferenças de NDVI e IBI entre os anos e mostradas na Fgura 6 possuem sgnfcânca justamente na área destnada à construção do COMPERJ nos permtndo afrmar, dentro do ntervalo de confança estabelecdo, que o NDVI (IBI) dmnuu (aumentou) após a construção do COMPERJ. Com base nos resultados do teste estatístco observamos que ao contráro da TSC, tanto o NDVI como o IBI apresentam uma menor varabldade temporal, por exemplo, assocada às condções meteorológcas fazendo com que estejam mas correlaconadas com mudanças na superfíce. Fgura. Méda de TSC para o período de 00 a 007, anteror à construção do COMPERJ (à esquerda) e de 008 a 011, posteror à construção (à dreta). Fgura 3. Dferença de TSC entre antes e depos à construção COMPERJ (à esquerda) e valores de dferença ndcando as áreas onde a TSC do período pós-construção é maor que o período anteror segundo o teste t de Student e nível de sgnfcânca de 5% (à dreta). 0980

7 Anas XVI Smpóso Braslero de Sensoramento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasl, 13 a 18 de abrl de 013, INPE Fgura. Smlar a Fgura 1, mas para o NDVI. Fgura 5. Smlar a Fgura 1, mas para o IBI. Fgura 6. Valores de dferença ndcando as áreas onde o NDVI (à esquerda) e IBI (à dreta) do período pós-construção é respectvamente menor e maor que o período anteror segundo o teste t de Student e nível de sgnfcânca de 5%.. Conclusões No presente trabalho utlzaram-se compóstos de magens de TSC, NDVI e IBI com base na méda para dos períodos que representam as condções ambentas antes à construção e após a construção do COMPERJ. Na análse temporal dos parâmetros gerados fo adotado o 0981

8 Anas XVI Smpóso Braslero de Sensoramento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasl, 13 a 18 de abrl de 013, INPE teste paramétrco t de Student com o ntuto de verfcar se duas médas amostras calculadas a partr de banco de dados dferentes são estatstcamente dferentes para o nível de sgnfcânca de 5%. Com base nesta abordagem fo possível avalar se a méda de TSC e IBI (NDVI) para o período após a construção do COMPERJ ( ) é maor (menor) que a méda do período antes da construção (00-007). Com base no teste t-student não fo possível afrmar que os valores de TSC nesta regão são realmente mas elevados para o período , vsto que a TSC apresenta grande varânca, sendo sugerda uma análse com base numa subdvsão sazonal. Entretanto, quando analsado ndvdualmente o período após a construção observa-se um anel de valores concêntrcos com valores mas fros advndos da parte mas externa a valores mas quentes em dreção ao núcleo. Desde a área externa até o núcleo, o gradente térmco é próxmo a 8,0 C e traz característcas espacas típcas a forma de uma lha de calor. Os resultados mostram que a TSC é altamente nfluencada pelas condções meteorológcas e clmátcas e que uma análse temporal de áreas urbanas com base em magens ndvduas de TSC pode resultar em conclusões errôneas. No caso do NDVI e IBI, as dferenças entre os anos e possuem sgnfcânca justamente na área destnada à construção do COMPERJ nos permtndo afrmar, dentro do ntervalo de confança estabelecdo, que o IBI (NDVI) aumentou (dmnuu) após a construção do COMPERJ. Os resultados encontrados, anda que prelmnares, conseguem revelar mpactos mportantes assocados ao níco da construção do COMPERJ. Como menconado anterormente, espera-se que a construção do COMPERJ aumente a pressão em seu entorno, fruto da atração de novos grupos populaconas em busca de trabalho. Este mpacto sobre o uso do solo e a nfra-estrutura dsponível será anda maor do que os mpactos encontrados no presente trabalho. Neste contexto, a contnuação e a amplação do presente estudo são de extrema mportânca vsto que este grande empreendmento reúne componentes socas, econômcas e ambentas em uma categora únca de alto rsco no espaço geográfco do leste metropoltano. Referêncas Bblográfcas Chander, G., Markhan, B.L., Helder, D.L. Summary of current radometrc calbraton coeffcents for Landsat MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI sensors. Remote Sensng of Envronment, v.113, p , 009. Franca, G.B., Cracknell, A.P. A smple cloud maskng approach usng NOAA AVHRR daytme data for tropcal areas. Internatonal Journal of Remote Sensng, v.16, p , Huete, A., Ddan, K., Mura, T., Rodrguez, E.P., Gao, X., Ferrera, L.G. Overvew of the radometrc and bophyscal performance of the MODIS vegetaton ndces. Remote Sensng of Envronment, v.83, p , 00. Iqbal, M. An ntroducton to solar radaton. Lbrary of Congress Catalogng n Publcaton data, Academc Press Canadan, p. Qn, Z., Kamel, A., Berlner, P. A mono-wndow algorthm for retrevng land surface temperature from Landsat TM data and ts applcaton to the Israel-Egypt border regon. Internatonal Journal of Remote Sensng, v., p , 001. Souza, J.D., Slva, B.B. Correção atmosférca para temperatura da superfíce obtda com magem TM: Landsat 5. Revsta Braslera de Geofísca, v.3, p , 005. Van de Grend, A.A., Owe, M. On the relatonshp between thermal emssvty and the normalzed dfference vegetaton ndex for natural surfaces. Internatonal Journal of Remote Sensng, v.1, p , Xu, H. A new ndex for delneatng bult-up land features n satellte magery. Internatonal Journal of Remote Sensng, v.9, p.69-76,