TECNOLOGIA APROPRIADA PARA A DETERMINAÇÃO DE TRANSPARÊNCIA ARBÓREA ATRAVÉS DA LUMINÂNCIA E DO TRATAMENTO COMPUTACIONAL DE IMAGENS

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1 TECNOLOGIA APROPRIADA PARA A DETERMINAÇÃO DE TRANSPARÊNCIA ARBÓREA ATRAVÉS DA LUMINÂNCIA E DO TRATAMENTO COMPUTACIONAL DE IMAGENS Cláudio Emanuel Pietrobon (1) Ailton da Silva Rezende (2) Maureli F. Gonzalez (2) (1)-Professor Doutor do Departamento de Engenharia Civil Universidade Estadual de Maringá - Av. Colombo 5790 Bloco C 67 - CEP Maringá-Paraná Fone/Fax: (021-44) claudiopietrobom@maringa.com.br (2)-Bolsistas PIBIC/CNPq do Departamento de Engenharia Civil Universidade Estadual de Maringá - Av. Colombo 5790 Bloco C 67 - CEP Maringá-Paraná F: (021-44) ailtonrezende@uol.com.br 1.INTRODUÇÃO Os desempenhos termo-energético e visual em edificações estão vinculados às variáveis funcionais, determinantes dos projetos arquitetônico e paisagístico. A relação de dualidade nos projetos, entre estas variáveis, é conflitante, se forem analisadas conjuntamente, através do consumo de energia elétrica. Este artigo exploratório, com cunho sistêmico, analisa, quantifica e compara, através de medições in loco dos dados experimentais da luminância e de tratamento computacional das imagens fotográficas (casos reais de exemplares arbóreos localizados no Campus Sede da UEM). Quantifica, comparativamente entre as duas metodologias, os valores da transparência de 4 árvores, também presentes na arborização urbana de Maringá-PR, a saber: Cedro (Cedrela fissilis), Figueira Branca (Fícus pandurata), Magnólia (Magnolia grandiflora) e Tipuana (Tipuana tipu). Para esta finalidade são otimizados aparatos e é adaptada uma metodologia de medição mensal in loco pela luminância visando obter experimentalmente a transparência das árvores, durante um ano para um exemplar de cada árvore. Nos solstícios de verão e inverno e nos equinócios de primavera e outono, são feitos os registros fotográficos, em condições de alta nebulosidade ( maior que 9/10 de céu) e baixo turvamento, similarmente às condições meteorológicas do procedimento experimental. Testam-se os tratamentos computacionais de imagens das árvores visando obter sua transparência nas datas das efemérides astronômicas, através dos softwares : IMAGO, desenvolvido no LMPT/ECM/UFSC e ADOBEphotoshop. O presente artigo auxilia no diagnóstico e na quantificação conjunta dos aspectos termo-luminosos, oriundos do sombreamento arbóreo nas edificações, além de complementar um banco de dados relativo às transparências de árvores comuns na cidade de Maringá-PR, adaptando-se às pesquisas de PIETROBON (1990, 1999, 1999A). Na presente fase da pesquisa, estão se elaborando comparações entre os métodos experimentais de obtenção de transparência arbórea através de medição da luminância e do tratamento computacional de imagens, que têm-se mostradas adequadas, como tecnologia apropriada, conforme PIETROBON et alii (1997, 1997A) 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo Geral Diagnosticar, definir e quantificar os conflitos e os compromissos da arborização, entre os aspectos visuais e térmicos no ambiente construído, visando o conforto térmico, a eficiência do sistema de iluminação, além da conservação de energia elétrica.

2 2.2. Objetivos Específicos Quantificar os conflitos da obstrução arbórea com árvores, na iluminação das edificações; Verificar os benefícios térmicos nas edificações devidos ao sombreamento arbóreo; Utilizar uma metodologia apropriada para a obtenção da transparência das árvores, através da comparação entre tratamentos computacionais de imagens e medição in loco da luminância em dias nublados, com baixo turvamento; Complementação do banco de dados das transparências das árvores de PIETROBON (1999), em bases mensais durante 12 meses, continuados por mais 3 meses, a fim de verificar a repetibilidade das metodologias, para futuro uso na simulação computacional do desempenho termo-visual e energético de edificações, com o software visualdoe REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A contribuição da vegetação para melhorias no ambiente construído, na escala urbana e na do edifício, tem sido reconhecida por profissionais das mais diversas áreas de conhecimento. Desde as mais remotas eras, o paisagismo tem sido utilizado funcionalmente com esta finalidade. GIVONI (1991); MEIER (1991) e PIETROBON et alii (2000) apresentam Review Papers sobre os temas: conforto higrotérmico e conservação de energia elétrica com o uso do paisagismo. OKE (1978) apresenta um balanço de calor esquemático entre uma árvore e o edifício, indicado na figura 3.1 à esquerda, onde: Tg - temperatura do solo e Tb - temperatura do edifício e Te e Ti, temperaturas do exterior e interior da copa da árvore e Ta - Temperatura do ar, obedecendo as seguintes condições de contorno: Tg ~ Tb < Te < Ta < Ti. YATES e McKENNAN (1989) apresentam na figura 3.1 à direita, os possíveis caminhos da iluminação difusa da abóbada celeste nas árvores e no ambiente construído, na escala do edifício. Os caminhos identificados são: A- Penetração da luz direta nos vazios dos galhos e folhas; B- A reflexão da luz pela árvore; C- Penetração da luz refletida internamente nos galhos da árvore; D- Iluminação transmitida através das folhas; E- Iluminação refletida pelo albedo do solo para o hemisfério superior da abóbada celeste; F- Iluminação refletida pelo albedo do solo para edificação. Figura 3.1 Representação esquemática do balanço térmico e luminoso de uma árvore na escala do edifício, segundo OKE, 1978 e YATES e McKENNAN, MATERIAIS E MÉTODOS Medidas de Luminância i) Materiais e Metodologia Para esta etapa utiliza-se um aparato composto de um tubo plástico de PVC rígido para instalação telefônica, de cor preta fosca, com diâmetro interno de 100 mm. Este tubo é

3 fixado em um apoio metálico que possibilita movimentos de rotação verticais e horizontais quando fixado a um tripé topográfico. Em sua extremidade une-se um tampão de PVC para esgoto, pintado na cor preta fosca, no centro do qual existe uma abertura circular de diâmetro idêntico à dimensão do sensor do luxímetro Dois dos aparatos, são posicionados anterior e posteriormente à árvore e os valores de luminância da árvore e da abóbada celeste são lidos, simultaneamente, com dois luxímetros, em três posições no eixo vertical da árvore. São fixos, a altura e o azimute para cada leitura. Apresentam-se, na figura 4.1, os equipamentos para medição da luminância : o aparato construído e adaptado, a bússola, o clinômetro, os luxímetros e a trena. Apenas o aparato de diâmetro de 100mm foi utilizado, pois tem ângulo sólido de abertura maior, por isso é mais indicado que o outro, em função das dimensões das obstruções próximas das árvores. Figura 4.1 Equipamentos para medição da luminância. As medidas de ângulos da inclinação são tomadas por um clinômetro manual, que também possibilita o nivelamento do tripé. As medidas azimutais se procedem com uma bússola manual. Ambos equipamentos são da marca ZEISS Tratamento Computacional das Imagens das Árvores i) Materiais Para a documentação fotográfica, visando definir a densidade de obstrução das árvores, utiliza-se uma câmera fotográfica com lente plana. O filme fotográfico é o TMAX 100 KODAK e o papel para revelação KODABROME PRINT RC F3 18 x 24 cm. As revelações são de alto contraste, e para inserir no corpo desta pesquisa utiliza-se um scanner com resolução de 300 dpi. Para o tratamento computacional de imagens utilizam-se os softwares ADOBEphotoshop e IMAGO do LMPT/EMC/UFSC. ii) Métodos As imagens obtidas são digitalizadas com resolução de 300 dpi, nas três alturas de medição, para as quais se obtém um resultado a ser comparado com o valor medido experimentalmente. A intenção é a de se obter um valor médio para cada espécime arbóreo monitorado. Porém, a influência da nebulosidade, da altura e azimute solares, induzem a uma pequena dispersão dos resultados. Esta dispersão pode ser creditada com maior peso à

4 variabilidade do clima, do que ao método e ao aparato de medição, pois quando tais variáveis são melhor controladas os resultados apresentam-se mais consistentes. Os valores de transparência de um exemplar de cada espécie, são obtidos, por medição no local. As medições ocorrem desde novembro de 1999 até outubro de 2000, com mais 5 meses de prazo para se testar a repetibilidade da metodologia adaptada de PIETROBON (1999, 1999A). As distâncias, os azimutes e os ângulos de inclinação, do aparato, são mantidos constantes em todas as medições, com valores diferentes para cada exemplar arbóreo. Todas as medições são feitas com céu completamente nublado, com valores de nebulosidade de 9 a 10 décimos de céu. Desta forma, os dias e horários das medições variam durante os 12 meses consecutivos de medição, e conseqüentemente, as coordenadas de posição do sol. 5. RESULTADOS DAS MEDIÇÕES DE LUMINÂNCIA E DO TRATAMENTO COMPUTACIONAL DE IMAGENS Para exemplificar, nas figuras 5.1 e 5.2 apresentam-se os valores de regressão linear simples que demonstram os resultados comparativos entre os valores experimentais da medição do espécime arbóreo e o do tratamento de imagens pelos softwares ADOBE photoshop e IMAGO. Salienta-se que a reta ideal é a de coeficiente angular igual a 1 passando pela origem do sistema de coordenadas cartesianas planas. É conveniente lembrar que as fotos e medições experimentais são efetuadas simultaneamente em 3 alturas para cada exemplar arbóreo. Estas fotografias são efetuadas em datas dos solstícios de Verão e Inverno, e no equinócio de outono tendo como norteadora da escolha da data, a posição solar. Nesta escolha implicou nebulosidade com pequena variação. Pode-se, assim, justificar a correlação entre os valores medidos e os das imagens tratadas, por contagem de pixels. No caso de insolação direta ocorria o fenômeno de reflexão nas folhas das árvores que invalidaria o tratamento computacional das imagens. Também, a posição angular do aparato de medida e a forma quadrangular para o tratamento das imagens, conforme se aplica no software IMAGO podem causar alguma distorção nos resultados, afastando a regressão linear da reta ideal de coeficiente angular unitário, mesmo passando pela origem do sistema cartesiano plano. Os dados do tratamento de imagens, devido à densidade foliar maior, característica da estação de Verão, apresentam melhor coeficiente de correlação (r 2 ), que no caso do Inverno. Neste caso, a discrepância, pode ser creditada, em parte, à pequena variação da nebulosidade. Cumpre salientar que para a simulação computacional do consumo energético é necessário apenas um valor médio para a transparência arbórea em cada mês, com resolução de 5%, no programa computacional VisualDOE A condicionante de céu, encoberto, durante as medições de Verão, induzem a melhores resultados nos coeficientes de regressão linear (r 2 ). Estes resultados indicam que a densidade foliar e nebulosidade da abóbada celeste são variáveis sensíveis e que devem ser consideradas nas medições da transparência arbórea. A reta de regressão aproxima-se do coeficiente angular unitário, indicando uma robusta compatibilidade entre as metodologias. As espécies caducifólias Figueira Branca, Magnólia e Cedro, exceto no mês de novembro de 1999, apresentam um comportamento com transparência baixa devido a alta densidade foliar dos exemplares. Após o mês de maio de 2000 constata-se um alto índice de transparência, devido a queda das folhas que ocorreram no inverno. Já a Tipuana, apresenta um valor constante de transparência. Estas medições foram necessárias para o acompanhamento mensal do estado fenológico das árvores escolhidas para monitoramento. Nesta etapa da pesquisa, foram efetuadas apenas as medições das transparências arbóreas de um exemplar de cada uma das quatro árvores, individualmente. Os resultados

5 obtidos com periodicidade mensal, durante nove meses, apresentam-se relativamente consistentes, exceto o mês de novembro de 1999, que será comparado com o valor de novembro de 2000, e mais um período para testar a repetibilidade do método. Os desvios absolutos foram todos abaixo de 12%. A transparência média mensal medida nas árvores: Cedro, Magnólia, Tipuana, Figueira Branca, apresentam os seguintes valores, respectivamente, 15.1%; 23,0%; 14,7%; 19,6%. TRANSP. IMAGEM (%) INDICE DE TRANSPARÊNCIAS MÉDIAS DO CEDRO NO VERÃO y = 1,0805x R 2 = 0, TRANSP. MEDIDA (%) TRANSP. IMAGEM(%) INDICE DE TRANSPARÊNCIAS MÉDIAS DA TIPUANA NO INVERNO y = 0,972x R 2 = 0, TRANSP. MEDIDA(%) Figura Gráfico de Correlação entre Luminâncias Medidas e Tratamento Computacional de Imagens ( CEDRO) Figura Gráfico de Correlação entre Luminâncias Medidas e Tratamento Computacional de Imagens ( TIPUANA) Figura 5.3 Imagem digitalizada computacionalmente, baseada em fotografia Central do Cedro, no solstício de Verão.

6 Apresenta-se na figura 5.3, uma imagem central do Cedro, na estação climática de Verão, em data próxima ao solstício desta estação, obtida por digitalização computacional, tendo como base a fotografia de alto contraste, da qual se obtém a transparência, por contagem de pixels, com o software ADOBE. 5.1 Sugestões para Trabalhos Futuros Um levantamento estatístico da transparência arbórea, deveria considerar uma amostra maior de cada espécie botânica, exemplares adultos em localização desimpedida, medições extensivas, preferencialmente, durante um ano inteiro para acompanhar o desenvolvimento fenológico das árvores; além do controle das variáveis: densidade foliar e nebulosidade do céu - encoberto e com baixo turvamento - para minimizar o efeito da radiação solar direta. A amostra deveria ser maior devido ao fato de que existem outras variáveis tais como: anisotropia da árvore, adaptação ao clima e o tipo de solo que induzem a mudanças nas tipologias das árvores. Em que pesem as condições das medições deste trabalho, os resultados podem ser considerados satisfatórios, especialmente no caso da documentação fotográfica, adaptada para esta finalidade. Assim, o presente estudo pode constituir-se em tecnologia apropriada com equipamentos simplificados. É importante ressaltar, que os estudos se estenderão por mais 5 meses, para garantir o propósito do projeto, e ainda fazê-lo parte do banco de dados, já iniciado por PIETROBON (1999, 1999A) com quatro outras espécimes arbóreas. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS GIVONI; B. Impact of Planted Areas on Urban Environmental Quality: A Review. Atmospheric Environment. London: V.25, n.1, p , MEIER, A. K. Measured Cooling Savings from Vegetative Landscaping. In: VINE, E.; CRAWLLEY, D.; CENTOELELA, P. (Eds). Energy Efficiency and the Environment: Forging the Link. Washington: ACEE,. 417 p.,1991, p OKE, T. R. Boundary Layer Climates. London: Meuthuen, 208 p PIETROBON, C. E. Luz e Calor no Ambiente Construído Escolar e o Sombreamento Arbóreo: Conflito ou compromisso com a Conservação de Energia? Florianópolis: UFSC, v.1. Tese de Doutorado : Ergonomia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção. 370 p.,1999. PIETROBON, C. E. Luz e Calor no Ambiente Construído Escolar e o Sombreamento Arbóreo: Conflito ou Compromisso com a Conservação de Energia? Florianópolis: EPS; UFSC, v.2. Tese de Doutorado: Ergonomia: Programa de Pós-Graduação da Engenharia de Produção da Universidade Federal de Santa Catarina, 230 p.,1999a. PIETROBON, C. E. Um Processo Sistemático para o Projeto Arquitetônico Bioclimático: O Caso de Maringá-PR. São Carlos: EESC:USP, V. Dissertação de Mestrado: Tecnologia da Arquitetura : Programa de Pós-Graduação da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, PIETROBON, C. E.; LAMBERTS.; PEREIRA, F. O. R, Simulação Computacional do Consumo Elétrico Final em Edificações Escolares Climatizadas e suas Variações com Elementos Arquitetônicos e Paisagísticos de Proteção Solar. In: IV ENCONTRO NACIONAL DE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO: ANTAC, Salvador, Anais..., p , PIETROBON, C. E.; LAMBERTS.; PEREIRA, F. O. R, Luz e Calor em Ambiente Construído Escolar não Climatizado e o Sombreamento Arbóreo: Conflito ou Compromisso com a Conservação de Energia? In: I ENCONTRO NACIONAL SOBRE EDIFICAÇÕES E COMUNIDADES SUSTENTÁVEIS: ANTAC, Canela, Anais..., p , 1997A. PIETROBON, C. E.; LAMBERTS.; PEREIRA, F. O. R, Revisão Bibliográfica acerca da Vegetação no Ambiente Construído: da Escala Urbana a do Edifício. In: VIII ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA NO AMBIENTE CONSTRUÍDO: ANTAC, Salvador, Anais..., p.360, ( Sessão Pôster). YATES, D.; McKENNAN, G. Solar Architecture and Light Attenuation by Trees: Conflict or Compromise? Arboricultural Journal. V.13, p