V USO DE IMAGENS ORBITAIS NO MONITORAMENTO DA TURBIDEZ E SÓLIDOS EM RIOS

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1 V USO DE IMAGENS ORBITAIS NO MONITORAMENTO DA TURBIDEZ E SÓLIDOS EM RIOS Adilson Pinheiro (1) Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Santa Catarina. Mestre em Engenharia de Recursos hídricos e Saneamento pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade FOTOGRAFIA Federal do Rio Grande do Sul. Doutor em Física e Química do Ambiente pelo Institut National Polytechnique de Toulouse (França). Pós-doutorado no Institut National NÃO Polytechnique de Toulouse (França). Professor-pesquisador da Universidade Regional de DISPONÍVEL Blumenau. Virgínia Grace Barros Engenheira Sanitarista. Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Regional de Blumenau. Engenheira do Serviço de Vigilância Sanitária do Município de Joinville SC. Professora no Instituto Superior de Educação Luterana de Santa Catarina - IELUSC. Julio Cesar Refosco Engenheiro Florestal. Mestre em Ciências do Ambiente pela Universidade São Paulo (São Carlos). Professor do Departamento de Engenharia Florestal da FURB e membro da Fundação Municipal do Meio Ambiente de Blumenau. Endereço (1) : Rua Antônio da Veiga, Blumenau - SC - Caixa Postal CEP: Brasil - Tel: (47) Fax: (47) pinheiro@furb.rct-sc.br RESUMO Este trabalho apresenta a utilização do sensoriamento remoto orbital no monitoramento da turbidez e da concentração de sólidos em suspensão em rios. A etapa de sensoriamento remoto utilizada envolveu a escolha das imagens e o realce do contraste para obtenção dos níveis de cinza. Foram realizadas coleta de amostras de água ao longo do rio e posterior análise em laboratório. O estudo foi desenvolvido no Rio Itajaí-Açu, no trecho entre Blumenau e Navegantes, no período de abril a setembro de Foram realizadas 3 campanhas de campo, em datas coincidentes às datas de passagem do satélite Landsat 5, destacando-se a turbidez, concentração de sólidos suspensos, fixos, voláteis e totais. Os dados foram analisados estatisticamente na busca de equações que representassem a qualidade da água através de produtos orbitais. Os melhores coeficientes de correlação encontrados entre dados orbitais e de campo, ocorreram para a concentração de sólidos suspensos. Os resultados obtidos com o emprego desta técnica demonstram o potencial no processo de monitoramento da qualidade das águas de rios. PALAVRAS-CHAVE: Sensoriamento Remoto, Qualidade das Águas, Monitoramento. INTRODUÇÃO Uma grande dificuldade em se estudar o meio ambiente, para que se consiga buscar soluções aos problemas gerados pela ação do homem, reside em encontrar dados confiáveis de monitoramento das mudanças ocorridas ao longo do tempo. O sensoriamento remoto vem sendo utilizado cada vez mais para produzir estas informações de modo que elas possam ser utilizadas por gestores de diversas áreas. Isto ocorre devido à característica deste instrumento de fornecer dados multitemporais e espaciais de uma região qualquer. E esses dados são de grande importância, pois, revelam a evolução de uma área, mostrando como esta evolução afetou a qualidade ambiental urbana e rural. Como conseqüência da utilização do sensoriamento remoto, há a possibilidade de se gerar um banco de dados que informa, visualmente, a evolução do alvo de interesse ao longo do tempo. Porém este recurso é pouco utilizado para o monitoramento da qualidade de águas em rios, sendo mais freqüente sua aplicação em baías, estuários e reservatórios. No Brasil o monitoramento da qualidade das águas superficiais e subterrâneas, por parte dos setores responsáveis, é bastante deficitário, seja por falta de programas específicos, infra-estrutura adequada ou ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 recursos. No monitoramento é necessário analisar os parâmetros de qualidade de água, que retratam como está o estado do corpo de água. São considerados parâmetros como cor, turbidez, sólidos suspensos totais e frações, oxigênio dissolvido, ph, demanda bioquímica de oxigênio, sais minerais, entre outros. Dentre estes parâmetros, alguns são opticamente ativos, ou seja, refletem radiação eletromagnética, quando sofrem a incidência de uma fonte de radiação. Entre eles, tem-se a turbidez e os sólidos suspensos. A resposta a este estímulo radiante vai depender das características do alvo de interesse, no caso o rio. Uma das razões pelas quais torna-se importante observar os sedimentos é que, quando em grande quantidade, eles limitam a penetração da luz solar limitando desta forma também a produção do nível primário da cadeia trófica Vários autores têm utilizado o sensoriamento remoto para monitorar a qualidade das águas em estuários, baias, reservatórios e lagos, Braga et al. (1993), Bowers et al (1998), Pozdnyakov, Kondratiev e Jerome (1998), Fraser (1998), Gao e O Leary (1997), Kondratiev et al. (1998), Tassan (1997), Forget e Ouillon (1998), entre outros. Entretanto, para pequenas massas de águas, como é o caso de rios com larguras de até 150 metros a utilização desta técnica é reduzida. Alguns modelos são apresentados para se tentar estimar a concentração de sólidos em suspensão e a turbidez na massa de água partindo-se de dados de sensoriamento remoto. Entretanto, alerta-se para os erros que podem ocorrer caso haja a aplicação de um modelo ajustado para uma determinada área, em outra diferente desta (Kondratiev et al, 1998). MATERIAIS E MÉTODOS Os procedimentos metodológicos adotados podem ser divididos em cinco etapas de forma a sistematizar a pesquisa. Cada uma das atividades foram realizadas e desenvolvidas independentemente das demais. A seqüência na qual elas ocorreram foi a seguinte: - Localização dos pontos amostrais de coleta de água; - Coleta de amostras para aquisição de dados de qualidade de água; - Aquisição das imagens de satélite; - Análise das imagens através do software SPRING (INPE 1998); - Análises estatísticas e elaboração de correlações. O trabalho foi realizado a partir de coleta de amostras de água, nas datas de passagem do satélite. Três campanhas de campo foram realizadas, a longo do rio Itajaí-Açu, no trecho compreendido entre Blumenau e Itajaí (figura 1). A análise da água foi realizada no Instituto de Pesquisas Tecnológicas da Universidade Regional de Blumenau, através do Standard Methods. Foram realizadas 3 saídas a campo, sendo amostrados 9 pontos na primeira saída, 6 pontos na segunda saída e 19 pontos na última. Na segunda saída, devido a falta de embarcação, as amostras foram recolhidas de cima das pontes que cruzam o Rio e na terceira a interferência atmosférica impossibilitou a análise da imagem. As datas das coletas foram respectivamente 13/05/99, 01/08/99 e 18/09/99. Utilizando-se um bote de borracha com motor de 50HP, cedido pelo Corpo de Bombeiros de Blumenau, o percurso foi cumprido em 1,5hs e 3,5hs respectivamente nas saídas 1 e 3. A determinação dos sólidos totais em suspensão foi feita evaporando-se volumes conhecidos de água em capsulas (previamente lavadas com água destilada secadas em estufa a C por 30 minutos e após isto em dessecadores, por mais 30 minutos, até constância de peso em balança de precisão de 0,0001g) colocadas em banho-maria, e depois na estufa por uma hora a C, e no dessecador por 30 minutos, a diferença entre o peso inicial, antes da estufa, e o após fornece a quantidade total de sólidos em suspensão, em mg/l. Após esta primeira fase, as capsulas foram postas no forno mufla a C por 30 minutos, para incineração da matéria orgânica, e no dessecador por mais 30, até constância de peso. O valor final fornecido pela balança representava o total de sólidos inorgânicos. A determinação da turbidez foi feita através de um turbidímetro digital. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 As imagens orbitais utilizadas foram obtidas pelo Landsat-5 TM, que apresentam as seguintes características: Pixel: 30x30m (resolução espacial), exceto banda 6 é de 120x120m. Resolução radiométrica: Eqüivale aos níveis de cinza (0 a 255). Resolução espectral: Número de bandas / largura do intervalo. Resolução temporal: Periodicidade do sensor (16 dias) Análise das imagens através do software SPRING (INPE 1998), através do uso de matrizes quadradas de 3x3 pixels. Foi realizada uma análise do efeito de utilizar-se matrizes de 2x2 pixels de modo a permitir uso desta técnica para curso de água estreito, como é o caso do rio Itajaí, cuja largura média do rio é da ordem de 150m. Esta análise mostrou que os resultados de reflectâncias obtidas com as duas matrizes são similares. Os valores de turbidez e concentrações de sólidos foram correlacionados com as reflectâncias obtidas das imagens orbitais. A performace da correlação foi medida pelo coeficiente de correlação. Nestas correlações foram empregados os valores dos parâmetros de qualidade das águas e da reflectâncias e/ou transformações matemáticas realizadas sobre os valores primários. Figura 1 - Pontos de coleta das amostras de água, no rio Itajaí-Açu. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 RESULTADOS As concentrações dos parâmetros de qualidade de água e a reflectância obtidas nas imagens orbitais foram correlacionadas no sentido de permitir identificar relações matemáticas ligando estas grandezas. Neste sentido foram avaliadas quatro tipo de relações: linear, logarítmica, potência e exponencial. Elas são expressas da seguinte forma: Equação linear: C = a.r + b equação (1) Equação logarítmica: C = a.ln(r) - b equação (2) Equação Potência: b C = a.r equação (3) Equação exponencial: b. R C = a. e equação (4) onde C é a concentração do parâmetro de qualidade das águas, R é a reflectância em níveis de cinza (de 0 a 255) e a e b são os coeficientes numéricos da função matemática. Para cada relação foi calculado o coeficiente de correlação (R). Os valores dos maiores coeficientes de correlação são apresentados nas tabelas 1 a 3. Nestas correlações foram considerados conjuntamente os dados das saídas 1 e 2 (tabela 1), da saída 1 (tabela 2) e finalmente da saída 2 (tabela 3). Caso não haja correlações satisfatórias (R < 0,6) entre as variáveis elas não foram consideradas. Os dados de reflectância para as bandas 1 e 2 estão disponíveis apenas para a saída 1.Os comentários desta e das saídas 1 e 2 juntas serão feitos em conjunto. Foram testados, além dos valores brutos de reflectância e concentrações de sólidos suspensos e turbidez, transformações matemáticas destes valores através dos seus logaritmos de forma a melhorar a correlação, tendo-se por conseqüência um aumento do coeficiente de correlação R. Para os resultados das saídas 1 e 2 juntas e da saída 1, os coeficientes de correlação maiores ocorreram para as bandas 1, 2 e 7. Segundo INPE (1996), a banda 2 é a mais sensível à presença de sedimentos em suspensão nas águas, isto explica um valor relativamente alto das correlações. Já para a banda 1, estas correlações ficaram em torno de 0,65 a 0,70, devido à característica desta banda de ser sensível a corpos de águas limpas. A alta correlação para a banda 7 explica-se, provavelmente, pela alta turbidez e concentração de sedimentos suspensos. Tabela 1 Coeficientes de correlação da concentração de sólidos suspensos (Log CSS) e o logaritmos das reflectâncias e os coeficientes das equações, para as saídas 1 e 2 juntas. Relação Coeficientes de correlação Coeficientes das equações Log B1 Log B2 Log B7 Log B1 Log B2 Log B7 a b a b a b Potencial 0,74 0,73-0,7069 0,371 0,1933 2, Exponencial - - 0, ,0557 0,2403 O pico de reflexão ocorre para os comprimentos de onda entre 0,52 e 0,60 µm (banda 2) que está de acordo tanto com Forget e Ouillon (1998) e Curran e Novo (1988), para a concentração média de sólidos suspensos (33,78 mg/l), e de acordo com Goodin et al (1993) para a turbidez média (26,5 ut). Para a saída 2, a banda que apresentou maior correlação foi a banda entre os comprimentos 0,76 a 0,90 µm (banda 4), que vem a ser a banda que é mais absorvida pelas águas com menor concentração de material em suspensão. Este resultado está de acordo os valores apresentados por Liedke et al. (1995). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 A banda 7 apresenta índices de reflexão relativamente baixos, da ordem de 0,70. Esta banda porém não é citada na bibliografia como utilizada para estudos de qualidade de água. Tabela 2 Coeficientes de correlação da concentração de sólidos suspensos e turbidez com os valores das reflectâncias e os coeficientes das equações para a saída 1. Relação Coeficientes de correlação Coeficientes das equações Turbidez Log CSS CSS Turbidez Log CSS CSS B7 B3 Log B7 a b a b a b Linear - - 0, ,57 235,09 Potencial 0,80 0, ,2 1,8554 0,1086 0, Tabela 3 Coeficientes de correlação da concentração de sólidos suspensos e turbidez com os valores das reflectâncias e os coeficientes das equações para a saída 2. Relação Turbidez CSS Log B4 Log B7 B4 Log B7 Linear R = 0,73 a = 5,9188 Logarítmica R = 0,85 a = 177,53 b = 16,479 R = 0,67 a = 5,1661 b = 36,523 R = 0,91 a = 32,725 b = 82,948 b = 12,432 - Pode-se observar que as equações do tipo potencial são as que mais representam as relações entre os parâmetros de qualidade de águas e as reflectâncias na saída 1 e quando se juntam os valores das saídas 1 e 2. Porém para a saída 2, as equações do tipo logarítmicas são as que mais representam a referida relação. Observa-se igualmente que os maiores coeficientes de correlação R foram obtidos para a saída 2. No entanto, os coeficientes de correlação mantiveram-se abaixo dos encontrados na bibliografia. Isto deve-se, provavelmente, à dinâmica encontrada no rio, que muito difere daquela encontrada nos reservatórios, baías e estuários aos quais a bibliografia se refere. Como forma de qualificar os sedimentos presentes na massa de água, foram testadas também as correlações entre a reflectância e outros parâmetros de qualidade de água. Porém, as correlações entre a reflectância e as concentrações de sólidos fixos (CSF), sólidos totais (CST) e sólidos voláteis (CSV) mostraram-se bastante baixas, impossibilitando a qualificação dos sedimentos através de imagens orbitais. Foi feito uma análise comparativa entre os resultados observados em campo, os calculados pelas equações encontradas neste trabalho (tabelas 1 a 3) e os calculados pelas equações seguintes: Gao e O Leary (1997) CSS = 0,899R 55,091 equação (5) onde CSS é a concentração de sólidos suspensos e R é a reflectância da banda verde (banda 2) Liedke et al. (1995) y = 0,662x 1,528 equação (6) onde y é a concentração de sólidos suspensos em mg/l e x é a reflectância da banda 2 y = 0,334x + 22,497 equação (7) onde y é a concentração de sólidos suspensos em mg/l e x é a reflectância da banda 3 Forget e Ouillon (1998) R = ak log10 CSS + b k equação (8) onde CSS é a concentração de sólidos suspensos em mg/l, R é reflectância (em percentagem de níveis de cinza) da banda considerada, a k = 11,514; b k = 0,249 para a banda 2 e a k = 13,977; b k = -5,509 para a banda 3. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Bhargava e Mariam (1991) ln T = 2, ,4326d + 0, 0912R equação (9) onde T é a turbidez em ut, d é o diâmetro da partícula sólida, considerada igual a 0,0817 mm R é a reflectância em percentagem de níveis de cinza Os resultados das comparações entre os valores estão apresentados nas figuras 2 e 3. Observa-se que as ordens de grandeza dos valores obtidos para a CSS, são as mesmas para as equações de Gao e O Leary (1997) e Liedke et al. (1995). Este fato porém não ocorre com as equações de Forget e Ouillon (1998), para as quais a ordem de grandeza dos valores foram muitas vezes superior aos calculados pelas equações ajustadas neste trabalho. Por razões de escala estes valores não foram apresentados nas figuras 2 e 3. Na figura 2 são apresentados os valores para a banda 3. Nesta figura percebe-se que para valores de concentração de sólidos suspensos mais altos, a equação calculada neste trabalho (LogCSS = 0,1086R 0,5494 ) produz melhores resultados. A equação proposta por este estudo foi ajustada para valores de turbidez médios de 32,67 ut, registrados na saída 2. Para a saída 1 não houve um ajuste satisfatório (R << 0,60), sugerindo que para valores médios menores de turbidez (26,55 ut) não há um bom ajuste. Na figura 3 são apresentados os valores para a banda 2; os melhores resultados encontrados pela equação ajustada neste trabalho (LogCSS = 0,1933LogR 2,7308 ) são para valores médios da concentração de sólidos suspensos. Verifica-se que existe uma grande discrepância entre os valores de sólidos suspensos e turbidez calculados pelas equações apresentadas acima, e os calculados pelas equações obtidas neste trabalho. Estes resultados reforçam as observações de Kondratyev et al. (1998) sobre os erros encontrados ao se tentar utilizar algoritmos ajustados para locais diferentes daqueles que se deseja estudar. Figura 2 - Comparação de valores de concentração de sólidos em suspensão para a banda 3, na saída 1. CSS(mg/L) B3Liedke Calculado Observado Pontos Somado-se ao problema de testar equações de outros lugares, tem-se que, talvez, o principal causador desta discrepância seja o próprio regime hidrodinâmico do rio em relação ao das baias e estuários para os quais as equações foram ajustadas. Nota-se ainda que os valores observados da concentração de sólidos suspensos para os quais as equações foram propostas por Forget e Ouillon (1998), eram menores (em média 10 mg/l) que as observadas em campo, neste estudo. Já para as equações de Liedke et al (1995), os valores eram próximos aos aqui observados (em média 20 mg/l), mas com valores sempre menores. Finalmente, os valores observados por Gao e O Leary (1997), eram bem maiores (em média 71,1 mg/l) aos observados no Rio Itajaí-Açu (26,86 mg/l, para as saídas 1 e 2 em conjunto). Percebe-se que, de modo geral, os resultados demonstram a ineficiência de equações ajustadas para outros ambientes. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Figura 3 - Comparação de valores de concentração de sólidos suspensos para a banda 2. Calculado = valores calculados pela equação proposta neste trabalho, Observado = valores observados em campo, Gao&O LB2 = valores propostos pela equação 5, e LiedkeB2 = valores calculados pela equação 6. CSS(mg/L) 120,0 90,0 60,0 30,0 0,0 Calculado Gao&O'LB2 LiedkeB2 Observado Pontos CONSIDERAÇÕES FINAIS Foi desenvolvido um estudo visando realizar a estimativa da concentração de sólidos e da turbidez em rios a partir de imagens Landsat 5-TM. Dados gerados por coletas realizadas na superfície da água do rio Itajaí- Açu e medidas radiométricas foram utilizadas em conjunto para estabelecer correlações entre a reflectância e a concentração de sólidos e turbidez. Baseando-se no estudo conduzido pode-se fazer as seguintes inferências: - A reflectância aumenta com a concentração de sólidos suspensos e a turbidez, considerando-se os resultados das saídas em conjunto ou separadamente, especialmente para as bandas 1, 2, 3 e 4. - Tendo como parâmetro o coeficiente de correlação, a melhor banda para predição da turbidez, em condições de maior concentração (saída 1), foi a banda 7. Esta banda também foi a melhor preditora para a concentração de sólidos suspensos. Em condições de menor concentração dos parâmetros de interesse (saída 2), a banda que apresentou maiores coeficientes de correlação foi a banda 4. Quando analisou-se os resultados das duas saídas (saída 1 e saída 2) juntas a maior correlação entre a reflectância e os parâmetros de interesse, para os dois parâmetros, foi a banda 7. - A qualificação do tipo de sólido em suspensão na massa de água não foi satisfatória, quando utiliza-se informações das imagens orbitais. Deve-se lembrar, entretanto, que o sistema Landsat não foi concebido para o monitoramento de águas, e sim do solo. Isto faz com que perceba-se a necessidade de um sistema espectralmente apropriado para a análise da qualidade da água. - Tomando como base as condições meteorológicas do ano de 1999, observa-se a existência algumas limitações para a aplicação do método na bacia do Itajaí-Açu, especificamente. O fator limitante mais importante para o método é a influência da atmosfera, podendo ser complicado conciliar boas condições atmosféricas e dia e horário da passagem do satélite. - O método produziu resultados promissores, com coeficientes de correlação da ordem de até 0,90, porém, a otimização do processo poderia ser atingida pela consecução de mais dados de campo, em diferentes períodos do ano e de precipitação, simultaneamente aos dados radiométricos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

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