Estimativa da área de cana-de-açúcar no estado de São Paulo por meio de sistema de amostragem de área e imagens de sensoriamento remoto
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- Gustavo Sabrosa Wagner
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1 Estmatva da área de cana-de-açúcar no estado de São Paulo por meo de sstema de amostragem de área e magens de sensoramento remoto Maurco Alves Morera Vvane Gomes Cardoso Rosa Rodrgo Rzz Bernardo Fredrc Teodor Rudorff Lucana Mura Sugawara Berka Valdete Duarte Insttuto Naconal de Pesqusas Espacas INPE Caxa Postal São José dos Campos - SP, Brasl {maurco,vvan, rzz, bernardo, lmura, bernardo, Abstract. Te present work as te objectve to use a samplng square metod to estmate sugarcane crop area n São Paulo State, Brazl. A sugarcane tematc map obtaned from multtemporal Landsat mages classfcaton was used as reference data and to stratfy te State area nto egt sugarcane area denstes (0-3, 3-, -3, 3-54, 54-74, 74-85, and >95%) wtn x km segments. A probablstc tecnque was used to determne four sample rates representng 0.07, 0., 0.3 and 0.4% of te study area wc were randomly sampled one undred tmes. Te sugarcane area for eac sample was evaluated based on te reference data map. Te one undred estmates for eac sample rate were ten compared wt te reference data for te entre study area. Best results were obtaned for te 0,3% sample rate (4 segments) were te relatve dfference of te area estmaton was around ±% wt a coeffcent of varaton lower tan %, ndcatng tat ts metod s not only sutable to accurate estmate sugarcane at State level but t s also an approprate alternatve for early forecast or wen cloud free mages are not avalable. Palavras-cave: remote sensng, sample tecnques, area estmaton, sensoramento remoto, técncas de amostragem, estmatva de área.. Introdução Com o lançamento dos satéltes de observação da Terra e o avanço na área da nformátca, em especal nos Sstemas de Informação Geográfca (SIG), ouve um grande mpulso no desenvolvmento de metodologas que vsam fornecer estatístcas agrícolas. No Brasl, város estudos foram realzados ao longo das últmas três décadas que comprovam o potencal das magens de sensoramento remoto e dos SIGs para estmar áreas de culturas agrícolas. Dentre as culturas mas estudadas pode-se ctar: cana-de-açúcar (Batsta et al. 990, Rudorff et al., 004), trgo (Batsta et al., 990), arroz (Morera e Crossett, 988), fejão (Rudorff e Krug, 986; Formaggo, 989), mlo (Morera et al. 998; Derenne et al. 00), soja (Antunes et al., 993; Morera et al., 998; Derenne et al., 00), café (Batsta et al., 990; Tardn et al., 99). No entanto, a prncpal lmtação do emprego de magens de satélte é, sem dúvda, a dsponbldade de magens lvre de cobertura de nuvens. Uma stuação de contorno para esse problema é aumentar o número de satéltes para magear a superfíce terrestre com maor freqüênca temporal; porém, sto demanda altos nvestmentos. Uma alternatva é o uso de métodos que consderam o emprego conjunto de magens de satéltes, técncas de geoprocessamento e métodos estatístcos de amostragem de área tal como é feto em dversos países desenvolvdos. Por exemplo, os Estados Undos utlzam métodos estatístcos para estmar a área e a produtvdade agrícola desde 938. Exemplos mas recentes do uso expermental de novas tecnologas nos Estados Undos são os projetos Crop Identfcaton Tecnology Assessment 97
2 by Remote Sensng (CITARS), Large Area Crop Inventory Experment (LACIE) e Agrculture and Resources Inventory Surveys Troug Aeroespace Remote Sensng (AGRISTARS), conforme relatado por Cen (980). No Brasl, o INPE em parcera técnco-centífca com a UNICA (Unão da Agrondústra Canavera de São Paulo) e o CEPEA (Centro de Estudos Avançados em Economa Aplcada) deram níco em 003 a um projeto de mapeamento da área canavera do estado de São Paulo, por meo de magens de sensoramento remoto a fm de estmar a área plantada durante um período de cnco anos safra a partr da safra de 003/04 para o qual fo possível adqurr magens do Landsat para todo estado de São Paulo em cnco datas de passagem do satélte, em períodos específcos dentro do cclo da cultura. Isto permtu gerar um mapa com a dstrbução das áreas canaveras ano safra 003/04 (Rudorff et al., 004). Apesar do êxto alcançado nesse projeto no que se refere ao mapeamento e estmatva da área canavera no estado de São Paulo em vrtude da dsponbldade de magens lvres de nuvens em período favoráves para a dentfcação desta cultura fo verfcada a necessdade de se dspor de um método alternatvo que garanta o fornecmento da estmatva da área em tempo ábl e não dependa uncamente de magens atuas que eventualmente possam estar com presença de nuvens mpedndo a dentfcação da cana. Atendendo a esta necessdade o presente trabalo tem como objetvo prncpal, estabelecer um procedmento de prevsão da estmatva de área de cana por meo de técncas de amostragem probablístca de área através do método estatístco de expansão dreta, testando procedmentos computaconas de estratfcação e alocação da amostra.. Materal e método. Área de Estudo A área de estudo abrangeu todos os muncípos produtores de cana de açúcar do estado de São Paulo, conforme mostrado na Fgura. Fgura Muncípos do estado de São Paulo produtores de cana-de-açúcar que foram utlzados como área de estudo. Fonte: Rudorff et al. (004). 98
3 Para o ano safra 003/04, a produção de cana em São Paulo correspondeu a 6,35% da produção naconal e a 69,5% da produção na Regão Centro-Sul (UNICA, 004). Os Muncípos do estado de São Paulo produtores de cana de açúcar são cobertos por 5 cenas do TM/Landsat-5 das quas 4 cenas são completas e parcas.. Estratfcação da área A estratfcação tem como fnaldade dvdr uma regão terrtoral em estratos omogêneos segundo a porcentagem de área do tema de nteresse de tal forma que a varânca dentro do estrato seja a menor possível e entre estratos seja maxmzada (Krug e Yanasse, 986). Embora exstem dferentes abordagens de estratfcação, nesse trabalo os estratos foram crados em função da porcentagem de área de cana dentro das undades amostras. Empregou-se como undade amostral, segmentos de km x km, conforme sugerdo por Adam (004). Adotou-se como crtéro gerar estratos por meo do agrupamento de segmentos com porcentagens de área de cana menor ou gual a um lmar pré-estabelecdo. Optou-se por essa abordagem, devdo à exstênca de um mapa temátco elaborado a partr da nterpretação de magens TM/Landsat, para o ano safra 003/04 (Rudorff et al., 003). Por outro lado, o emprego do segmento na forma regular, segundo Gonzáles-Alonso et al. (99), não nterfere na precsão da estmatva da área. Além dsso, faclta a nterpretação do uso e ocupação do solo dentro do segmento. Para tal, gerou-se uma grade regular com dmensão de km x km, na forma matrcal, por meo de um algortmo em LEGAL. A matrz resultante fo posterormente convertda em um dado cadastral, contendo as undades amostras. Através da ferramenta Estatístca de Imagem por Polígono calculou-se o percentual de área de cana em cada um desses segmentos de km. Os resultados foram exportados para uma planla eletrônca e gerado um stograma da dstrbução de freqüênca acumulada. Esse stograma servu como base para estratfcar a área em oto estratos, segundo a porcentagem de cana no segmento. Após a estratfcação da área, a etapa segunte consstu em determnar o tamano mínmo de amostras, para estmar a área de cana no estado, dentro de uma confabldade de 95% de confança. O tamano mínmo fo calculado pela Equação, proposta por Cocran (977). O tamano mínmo da amostra fo de 03 segmentos. ( zα / ) pq n = () E sendo, n o número total de segmentos a serem amostrados; z a dstrbução normal padronzada; α o nível de sgnfcânca; p o percentual da área agrícola; q o percentual da área utlzada para outros fns e E o erro esperado para a estmatva. Para determnar o número de segmentos por estrato, empregou-se a Equação (Cocran, 977): n = L N ( N pq / N p pq / N p n ) () 99
4 em que, n é o número amostral, em cada estrato; p o percentual da área do estrato cultvado com cana; N o número total de segmentos no estrato; q o percentual da área do estrato utlzado para outros fns e L o número de estratos. Além do tamano mínmo da amostra foram testados mas três novos tamanos de amostras: 06, 4 e 68 undades amostras, para analsar o comportamento do coefcente de varação. Para testar a efcênca do delneamento amostral, realzou-se, através de um algortmo no programa Matlab 00 sorteos de segmentos e extrau de cada um deles os valores de áreas de cana para ser usado no modelo de expansão dreta, conforme as Equações 3 a 6 (Krug e Yanasse, 986; Allen, 990; Pradan, 00): m = n Zˆ = e z (3) c k= c, k sendo c o índce para representar a cultura de nteresse, no caso a cana-de-açúcar; o índce para representar o estrato de uso do solo com =,..., m; k o índce para representar o segmento amostrado com k =,..., n ; m é o número de estratos; n o número de segmentos amostrados no - ésmo estrato de uso do solo; N o número total de segmentos no -ésmo estrato de uso do solo; e = (n /N ) - é o fator de expansão ou nverso da probabldade de que um segmento tem de estar na amostra escolda no -ésmo estrato de uso do solo; e z c,k a área da cultura da cana, no k-ésmo segmento do -ésmo estrato de uso do solo. A varânca estmada de Ẑ é: c m sc, v( Zˆ c) = N ( N n ) (4) n = em que e c s c, é a varânca estmada da cultura c no estrato, dada por: s c, = n k= ( z c, k ( n z ) z, é a área méda da cultura da cana no -ésmo estrato de uso do solo: c, ) (5) n zc, k k= c = n O Coefcente de Varação (CV) é estmado por: CV (%) = z, (6) ^ v( Z) x 00 (7) ^ Z As dferenças percentuas entre as estmatvas da área obtdas pela expansão dreta e pela nterpretação das magens TM/Landsat-5 foram plotadas num gráfco, juntamente com os valores 00
5 percentuas do coefcente de varação, para observar o comportamento dessas duas varáves nos 00 sorteos realzados, em cada tamano de amostra. 3. Resultado e dscussões Os dados contdos na Tabela referem-se às característcas dos delneamentos estabelecdos a partr das Equações e e do stograma de freqüênca acumulada. Tabela Característcas do panel amostral Estrato % de cana N* Tamano da amostra (n) n = 03 n = 6 n = 4 n = Total Área Amostrada (%)** 0,07 0, 0,3 0,4 * número de undades amostras de km ; ** Porcentagem amostrada em relação à área total de cana. Os gráfcos da Fgura a-d mostram as dferenças relatvas percentuas, entre a área estmada pela expansão dreta e a área determnada por meo da nterpretação das magens TM/Landsat, para os 00 sorteos aleatóros e o coefcente de varação (CV) para os tamanos de amostras de 03, 06, 4 e 68 undades. Ao observar o comportamento das dferenças relatvas e do CV, para a amostra de 03 segmentos (Fgura a), nota-se que em 45 sorteos a área de cana fo subestmada, porém dentro do erro acetável ( =0,05). Observa-se que o CV fcou entorno de a %. A partr desse ponto as estmatvas da área passaram a apresentar dferenças relatvas postvas e o coefcente de varação cresceu até os 5%. No caso da amostra de 06 segmentos (Fgura b) observa-se que as dferenças relatvas foram menores e que em grande parte dos sorteos a área estmada pela expansão dreta fo também subestmada, como aconteceu para a amostra de 03 segmentos. Para esse tamano de amostra o CV fo menor, em torno de a 3% e o ncremento fo quase lnear. Para as amostras de 4 (Fgura c) e 68 (Fgura d) segmentos a estmatva da área de cana e o coefcente de varação foram bastante semelantes entre s, ndcando que amostras de área com mas de 4 segmentos não acarretam melora na precsão da estmatva. Todava, cabe salentar que o aumento do número de segmentos por amostra de área dmnu a dferença relatva da área estmada e o valor do CV em relação à estmatva obtda pelo mapeamento global da área canavera. Ao se observar a porcentagem de área amostrada para produzr essas estmatvas, nota-se que a amostra de maor tamano (68 segmentos) não cegou a 0,5% da área canavera do estado. 0
6 a b c d Fgura Estmatvas de área para os 00 sorteos aleatóros e 4 tamanos de amostra. 0
7 Em outras palavras, o estabelecmento de um sstema amostral, não só produz uma estatístca objetva, mas também reduz o tempo e o custo do levantamento da estmatva além de poder ser realzado ndependente da dsponbldade de magens atuas. 4. Conclusões Tendo em vsta a exstênca de um mapeamento recente da área de cana para o estado de São Paulo, algumas conclusões puderam ser tradas a respeto dessa pesqusa. a) o crtéro de estratfcar a área canavera, com base na porcentagem de cana nas undades amostras, fo adequado porque produzu estmatva da área por meo da expansão dreta dentro do ntervalo de confança de 95% e os valores do coefcente de varação para os 00 sorteos fcaram abaxo de 5%, que fo o erro estabelecdo. À medda que aumentou o número de segmentos por amostra a dferença relatva, entre as áreas estmadas pela expansão dreta e pela nterpretação das magens do Landsat, dmnuu, porém amostras de área maor que 4 segmentos o ncremento na precsão da estmatva da área fo muto pequeno. Para estmar a área de cana do estado, dentro da precsão desejada, fo necessára uma amostragem menor de 0,5% da área canavera. Referêncas Adam, M. Estmatva de áreas agrícolas por meo de técnca de sensoramento remoto, geoprocessamento e amostragem p. (INPE-035-TDI/900). Dssertação (Mestrado em Sensoramento Remoto) Insttuto Naconal de Pesqusas Espacas, São José dos Campos Allen, J. D. A look at te Remote Sensng Applcatons Program of te Natonal Agrcultural Statstcs Servce. Journal of Offcal Statstcs, v. 6, n. 4, p , 990. Antunes, M. A. H.; Batsta, G. T.; Assad, E. D.; Morera, M. A. Utlzação de meddas espectras para o montoramento da cultura de soja (Glycne max (L.) Merrll) ao longo do cclo de crescmento. In: Smpóso Braslero de Sensoramento Remoto, 7., Curtba, 993. Anas. São José dos Campos: INPE, 993. v. 4, p Batsta, G. T.; Tardn, A. T.; Cen, S. C.; Dallemand, J. F. Avalação de produtos HRV/SPOT e TM/LANDSAT na dscrmnação de culturas. Pesqusa Agropecuára Braslera, v. 5, n. 3, p , 990. Cen, S. C. Precsão de classfcação do mapa de dstrbução de culturas obtdo a partr de magens Landsat. São José dos Campos, p. (INPE-889-RPE/3). Cocran, W. G. Técncas de Amostragem ed. Ro de Janero: Fundo de Cultura, p. Derenne, M.; Setzer, A. W.; França, H. O "Cnturão" de Soja e Mlo em Mato Grosso nos mosacos IVDN/AVHRR.[CD-ROM] In: Smpóso Braslero de Sensoramento Remoto, 0., Foz do Iguaçú. 00. Anas. São José dos Campos: INPE, 00. Seção Poster, p Formaggo, A. R. Caracterstcas agronômcas e espectras para sensoramento remoto de trgo e de fejão. Praccaba, 8 p. (INPE-506-RPE/6) Tese (Doutorado em Sensoramento Remoto) USP/ESALQ - Escola Superor de Agrcultura Luz de Queroz, 989. Gonzáles-Alonso, F.; Sora, S. L.; Gozalo, J. M. C. Comparng two metodologes for crop area estmaton n Span usng Landsat TM mages and ground-gatered data. Remote Sensng of Envronment, v.35, n., p 9-35, Jan. 99. Krug, T.; Yanasse, C. C. F. Estmatva de safras agrícolas utlzando dados coletados por satéltes de sensoramento remoto e dados terrestres, através de amostras de subestratos geográfcos. São José dos Campos: INPE, p. (INPE-40-RPE/534). Morera, M. A.; Crossett, M. L. Arroz rrgado - dentfcação e mapeamento através de dados espectras e temporas do TM- Landsat. In: Smpóso Latno Amercano de Sensoramento Remoto, 4., Gramado, 986. Anas. São José dos Campos: INPE, 988. v., p
8 Morera, M. A.; Aulcno, L. C. M.; Smabukuro, Y. E.; Duarte, V.; Rudorff, B. F. T.; Y, J. L. R.; Souza, I. M. Modelo de mstura espectral para dentfcar e mapear áreas de soja e mlo em quatro muncípos do Estado de Mnas Geras.[CD-ROM]. In: Smpóso Braslero de Sensoramento Remoto, 9., Santos, 998. Anas, São Paulo: Fabrca da Imagem Multmda, 998. Seção Poster Pradan, S., Crop area estmaton usng GIS, remote sensng and area frame samplng.. Internatonal Journal of Appled Eart Observaton and Geonformaton, v. 3, n., p. 86-9, 00. Rudorff, B. F. T.; Krug, T. Sensoramento remoto na estmatva da área plantada com fejão, mlo e mamona no muncípo de Irece-BA. In: Smposo Latno-Amercano de Sensoramento Remoto, 6., Gramado. Anas. São José dos Campos: INPE, 986. v., p Rudorff, B. F. T.; Berka, L. M. S.; Xaver, A. C.; Morera, M. A.; Duarte, V.; Rosa, V. G. C.; Smabukuro, Y. E. Estmatva de área plantada com cana-de-açúcar em muncípos do estado de São Paulo por meo de magens de satéltes e técncas de geoprocessamento: ano safra 003/004. São José dos Campos: Insttuto Naconal de Pesqusas Espacas, p. (INPE-079-RPQ/759). Tardn, A. T.; Assunção, G. V.; Soares, J. V. Análse prelmnar de magens TM vsando a dscrmnação de café, ctrus e cana-de-açúcar na regão de Furnas, MG. Pesqusa Agropecuára Braslera, v. 7, n. 9, p , 99. UNICA - Unão da Agrondústra Canavera de São Paulo. Informação UNICA, ano 6, n. 5, março/abrl, São Paulo,
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