QUANTIFICAÇÃO MULTITEMPORAL DA CONCENTRAÇÃO DE CLOROFILA NOS LAGOS DO DISTRITO FEDERAL A PARTIR DE SENSORIAMENTO REMOTO

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1 QUANTIFICAÇÃO MULTITEMPORAL DA CONCENTRAÇÃO DE CLOROFILA NOS LAGOS DO DISTRITO FEDERAL A PARTIR DE SENSORIAMENTO REMOTO Luzideth L. Gonçalves (1) Engenheira Sanitarista pela Universidade Federal de Mato Grosso (1996). Mestranda em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos pela Universidade de Brasília. FOTOGRAFIA Néstor Aldo Campana NÃO Engenheiro em Recursos Hídricos, pela Faculdade de Ingenieria y Ciencias Hídricas, Universidad Nacional del Litoral - FICH-UNL, Santa Fé - DISPONÍVEL Argentina (1988). Mestre em Engenharia Civil, Área de Concentração Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental, pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul - IPH-UFRGS (1992). Doutor em Engenharia, Área de Concentração Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental, pelo IPH-UFRGS, Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Brasília - UnB, em Dedicação Exclusiva. Professor Orientador do curso de Mestrado em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos da UnB. Período. Endereço (1) : UnB colina, Bloco K - apto Brasília - DF - CEP: Brasil - Tel: (061) luzi@unb.br ou luzideth@hotmail.com RESUMO Este trabalho propôs-se a estudar a existência de possíveis correlações entre as respostas espectrais fornecidas pelas bandas do TM Landsat e teores de clorofila medidos em laboratório. Foram utilizados dados de clorofila dos três principais lagos do Distrito Federal: Descoberto, Paranoá e Santa Maria, medidos no período de outubro de 1993 a maio de As imagens digitais utilizadas correspondem à orbita 221_071X do satélite Landsat-5, tendo sido utilizadas cinco imagens digitais TM Landsat, com data de passagem do satélite correspondente ao mesmo período de coleta dos dados de clorofila. Os resultados encontrados mostraram que existem correlações entre teor de clorofila e o valor do nível digital nas bandas TM1, TM2, TM3 e TM7. Os maiores coeficientes de correlação encontrados foram 0,65 para a TM1, 0,72 para a TM2, 0,79 para a TM3 e 0,85 para a TM7. PALAVRAS-CHAVE: Clorofila, Sensoriamento Remoto, Resposta Espectral, Monitoramento. INTRODUÇÃO Para o Distrito Federal, além da importância ecológica, os lagos têm uma importância econômica fundamental, uma vez que os mesmos são tidos como principais fornecedores de água para abastecimento público. Nesse sentido, são exercidos monitoramentos ambientais nas bacias que contribuem para a formação dos principais lagos do Distrito Federal, incluindo os principais parâmetros de qualidade e quantidade da água. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2145

2 Entre os parâmetros de qualidade da água monitorados, especial atenção foi dada à concentração de clorofila, uma vez que esse parâmetro é tido como um indicador no estudo de eutrofização de um corpo d água. A presença de algas nos corpos d água não constitui e nem está associada diretamente às causas de poluição, mas sua presença ou ausência constitui uma conseqüência desta. Além disso, as algas presentes nos afluentes prejudicam o funcionamento das Estações de Tratamento de Água, como por exemplo nos filtros lentos, onde as algas podem obstruir os vazios intergranulares no início da camada de areia, reduzindo com isso a duração da carreira de filtração, podendo também obstruir tubulações em outras unidades das estações (Di Bernardo, 1993 ). Em lagos e reservatórios, o monitoramento do teor de clorofila é particularmente importante uma vez que o nível de clorofila algal é um indicador de condições tróficas e um indicador indireto de outras importantes formas de gerenciamento, tais como poluição por fertilizantes, pesticidas e herbicidas (Goodin et al. 1993) A forma convencional de determinação desse parâmetro consome um tempo considerável e envolve altos custos. Nos últimos anos, a técnica de sensoriamento remoto tem-se mostrado bastante eficiente para essa finalidade, principalmente por oferecer a opção de monitoramento de grandes áreas simultaneamente. Assim, neste trabalho é expresso esse potencial com a finalidade de quantificar a concentração de clorofila nos lagos do Distrito Federal. O objetivo principal deste trabalho é obter modelos de correlação entre os teores de clorofila e respostas espectrais manifestadas pelos corpos d água, registrados pelo satélite Landsat, para os lagos do Distrito Federal. A aplicação desses modelos analíticos às imagens digitais permitirá obter mapas temáticos com a distribuição da concentração de clorofila para os lagos acima citados. A partir desses produtos, poderão ser feitas inferências sobre a variabilidade espacial e evolução temporal do processo de eutrofização nos lagos. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Pesquisas voltadas para o comportamento espectral da água baseia-se na aquisição simultânea de dados de sensoriamento remoto, de campo ou de satélites, juntamente com a coleta de amostras de água em campo. Essas pesquisas visam basicamente desenvolver modelos de correlação que permitam estimar algumas propriedades da água a partir dos dados digitais obtidos via sensoriamento remoto. O fundamento básico considerado nessas pesquisas é o fato de que a assinatura espectral de um corpo d água resulta dos processos de absorção e espalhamento da radiação solar no seu interior. Portanto, a radiação detectada por um sensor pode fornecer informações sobre as suas características físico-químicas e biológicas. O sensoriamento remoto tem sido citado como uma importante tecnologia para medir a concentração de clorofila algal em águas superficiais. Vários autores têm analisado a relação clorofila algal e medidas de reflectância. Gitelson (1992) concluiu que a taxa máxima de reflectância no infravermelho próximo (0,705µm) pode ser utilizada para determinação do teor de clorofila. Mittenzwey et al. (1992) encontrou alta correlação (0,98) entre clorofila e a taxa de reflectância infravermelho médio/vermelho. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2146

3 Moraes (1996) comenta que em um experimento de laboratório, com todas as situações controladas, observa-se um decréscimo da reflectância espectral com o aumento da concentração de clorofila no intervalo de 0,40 a 0,90µm. Goodin et al. (1993) comenta que a diferença entre as derivadas segunda da reflectância nos comprimentos de onda de 0,66 e 0,95 µm tem uma forte correlação com o teor de clorofila. Rundquist et al. (1996) investigando relações básicas entre reflectância espectral e grandes variações de densidade de clorofila algal concluíram que, para todos os teores de clorofila analisados (variando de 277µg/l a 2190µg/l), aumentando a quantidade de clorofila há um aumento regular na reflectância nos intervalos de 0,56 a 0,57µm, 0,64µm e 0,69µm. Para os intervalos de 0,4 a 0,5µm e 0,67µm os autores comentam que aumentando o teor de clorofila a reflectância tende a diminuir. Outra conclusão foi que, para baixas concentrações de clorofila, a taxa de reflectância no infravermelho próximo/vermelho é mais eficiente, enquanto que, para altas concentrações, a primeira derivada da reflectância em torno de 0,69µm retrata melhor a relação da reflectância com clorofila. Verdin (1985) chegou a uma equação para determinar clorofila a partir da reflectância no intervalo de 0,70 a 0,80µm do imageador Landsat. A equação foi desenvolvida com coeficiente de determinação de 0,74 e um desvio padrão médio de 3,0mg/m 3. MATERIAL E MÉTODO Os modelos analíticos foram obtidos por meio de análise de correlação entre concentração de clorofila, determinada em laboratório, e respostas espectrais, obtidas de imagens digitais. Os dados de teor de clorofila utilizados foram coletados pela Companhia de Água e Esgoto de Brasília (CAESB), que faz o monitoramento mensal desse parâmetro para os lagos Paranoá, Descoberto e Santa Maria, em diferentes localizações e profundidades. Neste trabalho foram utilizados os dados coletados no período compreendido entre outubro de 1993 a maio de 1997 em sete pontos amostrais, sendo cinco no lago Paranoá (pontos amostrais A a E), um ponto no lago Descoberto (ponto amostral Barragem (F)) e um ponto no lago Santa Maria (ponto amostral Barragem(G)). Todos os dados referem-se às amostras coletadas a 1m de profundidade. Uma análise estatística desses dados permitiu traçar a tendência da evolução temporal da concentração de clorofila para os lagos do Distrito Federal. As imagens digitais utilizadas corresponde à orbita 221_071X do satélite Landsat-5. A bordo desse satélite está o sensor TM ( Thematic Mapper ) que é um sistema avançado de varredura multiespectral, cuja finalidade é proporcionar uma resolução espacial mais fina (30x30m no terreno), melhor discriminação espectral entre objetos da superfície terrestre (seis bandas distribuídas nas porções visível, infravermelho próximo e infravermelho médio do espectro eletromagnético e uma banda no infravermelho distante) e melhor precisão radiométrica (256 níveis de cinza) (Novo, 1992). Na tabela 1 está a lista das sete bandas do TM Landsat-5 com as respectivas faixas espectrais. Tabela 1: As bandas do TM Landsat o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2147

4 Bandas Banda TM1 Banda TM2 Banda TM3 Banda TM4 Banda TM5 Banda TM6 Banda TM7 Faixa espectral 0,45 a 0,52µm 0,52 a 0,60µm 0,63 a 0,69µm 0,76 a 0,90µm 1,55 a 1,75µm 10,4 a 12,5µm 2,08 a 2,35µm Foram utilizadas cinco imagens digitais TM Landsat, com data de passagem do satélite correspondente ao mesmo período de coleta dos dados de clorofila. A tabela 2 apresenta a relação das imagens utilizadas juntamente com a área de cobertura (lagos) das mesmas. Tabela 2: Relação das imagens TM Landsat utilizadas. Imagem Data Área cobertura (lagos) Bandas espectrais /10/93 Descoberto TM3, TM4 e TM /07/94 Descoberto, Paranoá e Santa Maria TM3, TM4 e TM /08/95 Descoberto TM3, TM4 e TM /08/96 Descoberto, Paranoá e Santa TM1, TM2, TM3, TM4, Maria TM5 e TM /05/97 Descoberto, Paranoá e Santa TM1, TM2, TM3, TM4, Maria TM5 e TM7 Obtenção das respostas espectrais As respostas espectrais, aqui referidas como nível digital (valor proporcional à reflectância do alvo imageado), foram obtidas diretamente das imagens digitais pela localização dos pontos amostrais sobre as mesmas. O processo de obtenção dos níveis digitais foi realizado no laboratório de Geoprocessamento do Mestrado em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos na Universidade de Brasília, utilizando para tanto o software Spring (INPE, 1998). Esse procedimento incluiu os seguintes passos: Visualização da imagem na tela; As imagens foram recortadas em janelas, onde cada janela abrange unicamente a área recoberta por cada lago. Esse procedimento permitiu a visualização dos lagos em maior escala, possibilitando assim melhor identificação dos pontos amostrais; A identificação dos pontos amostrais foi feita de forma visual em uma primeira imagem. Com auxílio do mapa de localização dos pontos amostrais os pontos foram localizados, correspondendo a um pixel na imagem. A partir daí, foram anotadas as coordenadas X e Y desse pixel para a localização do mesmo em outras imagens; No software Spring, na opção Imagem leitura de pixels, identificado o ponto amostral é oferecido uma matriz de 5x5 que corresponde aos valores de nível digital do pixel identificado (valor central da matriz) e de 24 outros pixels em torno dele que formam na imagem uma janela de 5x5; 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2148

5 Considerando que a resolução espacial das imagens é de 30m do terreno e que existe uma certa margem de erro na localização dos pontos amostrais, foi considerado o nível digital de cada ponto amostral como a média dos nove valores centrais da matriz de 5x5, que corresponde no terreno a uma área de 90x90 metros; Esse procedimento foi repetido para cada imagem a cada banda espectral, o resultado dos valores médios de nível digital juntamente com os dados de clorofila estão sumarizados na Tabela 3. Tabela 3: Lista dos pontos amostrais com correspondentes valores de clorofila e média dos níveis digitais do TM Landsat. Data Lago Ponto Clorofil a Nível Digital nas bandas do Landsat Amostral (µg/l) TM1 TM2 TM3 TM4 TM5 TM7 10/10/93 Descoberto Barragem(F) 6, ,70 10,50 9,44-25/07/94 Descoberto Barragem(F) 1, ,48 5,40 4,00-29/08/95 Descoberto Barragem(F) 4, ,00 11,00 9,80, - 31/08/96 Descoberto Barragem(F) 3,20 68,68 32,24 26,12 8,56 7,36 3,12 30/05/97 Descoberto Barragem(F) 3,20 59,52 32,96 28,84 6,16 2,24 0,20 25/07/94 Santa Maria Barragem(G) 3,90-10,84 4,32 1,88-31/05/96 Santa Maria Barragem(G) 7,70 52,28 20,96 15,60 6,44 3,56 0,92 30/05/97 Santa Maria Barragem(G) 12,80 40,04 14,44 10,00 3,12 1,44 0,00 25/07/94 Paranoá Ponto A 75, ,52 5,94 0,56-25/07/94 Paranoá Ponto B 52, ,60 5,68 1,12-25/07/94 Paranoá Ponto C 26, ,88 4,64 0,64-25/07/94 Paranoá Ponto D 75, ,12 5,32 0,96-25/07/94 Paranoá Ponto E 66, ,84 4,32 1,88-31/08/96 Paranoá Ponto A 35,93 52,92 21,32 19,56 7,60 3,08 0,44 31/08/96 Paranoá Ponto B 76,98 56,84 29,16 24,36 8,92 5,64 1,68 31/08/96 Paranoá Ponto C 42,34 54,44 27,80 23,00 7,88 4,04 0,88 31/08/96 Paranoá Ponto D 80,83 55,00 29,84 24,84 8,32 2,48 0,24 31/08/96 Paranoá Ponto E 52,60 53,60 23,44 20,48 7,92 3,84 1,12 30/05/97 Paranoá Ponto A 44,91 43,88 43,88 20,24 16,24 0,92 0,92 30/05/97 Paranoá Ponto B 26,94 45,76 22,60 15,64 4,12 0,32 0,16 30/05/97 Paranoá Ponto C 16,68 42,04 19,64 13,68 3,80 0,40 0,08 30/05/97 Paranoá Ponto D 29,51 42,68 21,88 15,44 3,84 0,44 0,04 30/05/97 Paranoá Ponto E 37,21 42,36 19,96 14,28 3,88 0,52 0,52 Com o conjunto de dados de teor de clorofila e o valor correspondente da resposta espectral, foram testados alguns modelos de correlação simples. Entre eles testaram-se o linear, o exponencial e o potencial. Alguns dos modelos gerados permitiram estimar com representativo grau de precisão o valor do teor de clorofila em função da resposta espectral obtida nas imagens digitais. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2149

6 RESULTADOS Os resultados da análise de evolução do teor de clorofila nos lagos Paranoá, Descoberto e Santa Maria estão representados nas Figuras 1 e 2. O gráfico (a) da Figura 1 mostra que no período de 1994 a 1997 houve uma redução gradativa no teor de clorofila no lago Paranoá. Os valores máximos observados foram 139,85µg/l em 1994, 74,42µg/l em 1995, 89,81µg/l em 1996 e 51,32 µg/l em Segundo Rocha (1993), o avançado processo de eutrofização do lago Paranoá deve-se ao excesso de nutrientes (principalmente fósforo e nitrogênio) que nele é lançado juntamente com o esgoto doméstico bruto ou tratado. Os gráficos (b) e (c) mostram, respectivamente, a evolução do teor de clorofila nos lagos Descoberto e Santa Maria. Esses dois lagos têm a finalidade exclusiva do abastecimento de Brasília. Nota-se pelos gráficos (que estão em escalas diferentes em relação ao gráfico do Paranoá) a grande diferença nos teores de clorofila de ambos os lagos em comparação com os dados do Paranoá. Observa-se pelo gráfico (c) que, no lago Santa Maria, ao contrário do que ocorreu no Paranoá, há um aumento nos teores de clorofila no período de 1994 a 1997, com valores máximos de 7,70 µg/l em 1994 e 20,53 µg/l em O lago Descoberto apresentou os menores valores de clorofila. Os valores máximos observados foram 5,8 µg/l em 1994 e O resultado da análise da variação do nível digital nas bandas do TM Landsat está representado na Figura 2. O gráfico confirma a afirmação de alguns autores (Rudquist et al. 1996; Mittenzwey et al. 1992; Verdin 1985) de que, aumentando o teor de clorofila, aumenta o nível digital, ou reflectância espectral como é mais comumente citado. Observa-se pelo gráfico que, nas bandas TM1, TM2 e TM3, essa afirmação é mais representativa. A partir da banda quatro, reduzindo o valor do nível digital, ela não é claramente expressa. Vale salientar que esse resultado foi obtido para alguns dos mais altos teores de clorofila analisados. Uma relação inversa foi encontrada quando utilizados teores de clorofila menores que 8,0µg/l, porém, como são poucos os dados nessa faixa, essa relação não é representativa. Após análise de regressão simples entre os teores de clorofila e os níveis digitais obtidos das imagens de satélites, alguns modelos de regressão com coeficiente de determinação significante foram observados. As análises foram feitas para cada banda separadamente. Os resultados indicaram que os níveis digitais das bandas TM1, TM2, TM3 e TM7 têm alguma correlação com o teor de clorofila. No processo de ajuste desses modelos, para chegar a valores de coeficiente de determinação com algum grau de representatividade, foram considerados apenas os dados cujos valores de clorofila foram maiores que 8,0µg/l. Para as bandas TM1(0,45 a 0,52µm) e TM2(0,52 a 0,60µm), o tipo de regressão que ofereceu melhor coeficiente de determinação (R 2 igual a 0,65 e 0,72, respectivamente) foi a linear. Esses resultados estão de acordo com os encontrados por Rundquist et al. (1996), onde nos comprimentos de onda entre 0,53 e 0,6µm foram encontradas as melhores correlações entre clorofila e resposta espectral. Porém, esperavam-se melhores resultados, uma vez que a banda TM1 é a banda de absorção pela cor azul e sofre absorção pela clorofila e pigmentos fotossintéticos auxiliares. A banda TM2 é a banda de absorção pelas cores verde e amarela, com pontos de absorção pela clorofila em 0,60µm. É bastante indicada no monitoramento desse parâmetro em águas superficiais. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2150

7 A banda TM3, localizada no intervalo de 0,63 a 0,69µm, apresentou uma regressão do tipo polinomial com coeficiente de determinação de 0,79. Essa banda é mais indicada para diferenciação de espécies vegetais. Na banda TM7(2,08 a 2,35µm), região do infravermelho médio, foram encontrados os mais altos coeficientes de determinação, 0,84 e 0,85, para regressões do tipo linear e polinomial, respectivamente. Esse resultado não era esperado, uma vez que nessa banda a absorção da radiação incidente pelos corpos d água é máxima, como pode ser notado pelos baixos valores de níveis digitais registrados nessa banda. Uma explicação plausível para isso seria o fato de que, como é máxima a absorção pela água, toda percentagem refletida representaria a presença de outros constituintes na água, no caso deste trabalho, correlacionados com clorofila. A proposta de geração de mapas temáticos, mostrando a variação do teor de clorofila nos lagos do Distrito Federal, não foi concretizada em função de que, para terem boa representatividade, tais mapas deveriam ser gerados a partir de modelos de correlação com coeficiente de determinação acima de 0,90, o que não foi encontrado neste trabalho. Como conclusão pode-se afirmar que existem correlações entre os valores dos níveis digitais das bandas do TM Landsat e teores de clorofila nas águas superficiais. Porém, para gerar modelos com elevados graus de determinação são necessárias maiores quantidades de dados, incluindo dados com maior variação nos teores de clorofila. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2151

8 Figura 1: Evolução do teor de clorofila nos lagos Paranoá, Descoberto e Santa Maria, período de 1994 a Teor de clorofila (µ g/l) Evolução do teor de clorofila no lago Paranoa (pto B) Clorofila Clorofila Clorofila Clorofila Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Meses (a) Evolução do teor de clorofila no lago Descoberto a 1997 Teor de clorofila (µ g/l) Clorofila Clorofila Clorofila Clorofila Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Meses (b) Evolução do teor de clorofila no lago Santa Maria a Teor de clorofila (µ g/l) Clorofila Clorofila Clorofila Clorofila Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez M eses (c) 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2152

9 Figura 2: Variação do nível digital nas bandas do TM Landsat. 60 Nível Digital Clorofila 80,83mg/l Clorofila 52,60mg/l Clorofila 44,91mg/l Clorofila 37,21mg/l Clorofila 16,68mg/l Clorofila 12,80mg/l 0 TM1 TM2 TM3 TM4 TM5 TM7 Bandas do TM Landsat REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Di Bernardo, L. Métodos e Técnicas de Tratamento de Água, Vol. II Rio de Janeiro: ABES, 1993, 503 p. 2. Gitelson, A. (1992). The peak near 700 nm on radiance spectra of algae and water: relationships of this magnitude and position with chlorophill concentration. International Journal of Remote Sensing, 13: Goodin, D.G., Han, L., Fraser, R.N., Rundquist, D.C., Stebbins, W.A. e Schalles, J.F. (1993). Analysis of suspended solids in water using remotely sensed high resolution derivative spectra. Protogrammetric Engineering e Remote Sensing, V.59 (4): INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) (1998). SPRING, vesão Mittenzwey, K.H., Gitelson, A.A. e Kondratyev, K.Y. (1992). Determination of Chlorophyll a of inland waters on the basis of spectral reflectance. Limnology and Oceanography, 37: Moraes, E.C. (1996). Radiometria óptica espectral, Cap. 2: Comportamento Espectral. VIII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Tutorial: Rocha, A.J.A. (1993). Caracterização Limnológica do Distrito Federal. In: NOVAES PINTO, M. (Org.). Cerrado: caracterização, ocupação e perspectivas. 2ª edição, Edunb/SEMATEC, Brasília. 8. Rundquist, D.C., Han, L., Schalles, J.F. e Peske, J.S. (1996). Remote measurement of algal chlorophyll in surface waters: the case for the first derivation of reflectance near 690 nm. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. 62 (2): Verdin, J.P. (1985). Monitoring water quality conditions in a large western reservoir with Landsat Imagery. Protogrammetric Engineering e Remote Sensing, V.51 (3): o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2153