UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Instituto de Biociências Pós Graduação em Ecologia

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Instituto de Biociências Pós Graduação em Ecologia ANÁLISE DO COMPORTAMENTO ESPECTRAL DA ÁGUA NO RESERVATÓRIO GUARAPIRANGA, RIO GRANDE E BRAÇO TAQUACETUBA DO COMPLEXO BILLINGS Relatório apresentado à disciplina Sistemas de Análise Geográfica para Ecologia Professora responsável: Dr. Marisa Dantas Bitencourt Paula Regina Padial Paula Yuri Nishimura São Paulo Junho de 2006

2 INTRODUÇÃO Sensores a bordo de satélites medem a quantidade de radiação solar em vários comprimentos de onda refletidos pela superfície da água, que pode ser relacionado com vários parâmetros da qualidade da água, como os teores de sólidos totais (HELLWEGER et al., 2004). Segundo Hellweger et al. (2004), esta é uma forma alternativa de estimar a qualidade da água, que oferece três vantagens significativas sobre as amostragens em campo: (1) a cobertura contínua pelos imageadores a bordo de satélites permite uma estimativa sinóptica sobre grandes áreas; (2) a cobertura global dos satélites permite a estimativa da qualidade da água em locais remotos e inacessíveis; (3) o vasto arquivo de imagens armazenadas permite a estimativa da qualidade da água ao longo do tempo. Porém, nas estimativas através das imagens de satélites também possuem algumas desvantagens: (1) dificuldade de distinguir os constituintes da água, por exemplo, distinguir a assinatura espectral das macrófitas e do corpo d água; (2) amostra de água limitada à superfície em ecossistemas oceânicos, variação com a claridade da água e não controlável; (3) resolução espacial e temporal pode ser inadequada e não controlável. Comportamento espectral da água A água apresenta-se na natureza sob diferentes estados físicos, que influenciam seu comportamento espectral (NOVO, 1989). A água no estado líquido apresenta baixa reflectância (entre 380nm e 700nm), absorvendo toda a radiação acima de 0,70µm. A água em forma de nuvens (gotículas de água em suspensão aerossóis) apresenta altíssima reflectância (entre 380nm e 2500nm), com bandas de absorção em torno de 100nm, 130nm e 200nm. A água em forma de neve (água em forma de cristais) apresenta elevada reflectância entre 700nm e 1200nm. Em estudos limnológicos, é o comportamento espectral da água no estado líquido que interessa. As características ópticas de um corpo d água dependem da quantidade e da qualidade dos materiais em suspensão, dos organismos fitoplanctônicos e da matéria orgânica dissolvida (HELLWEGER et al., 2004). Desta forma, a interação da água com a luz solar resulta da combinação do espalhamento e da absorção, fenômenos estes que 1

3 determinam o processo de propagação da luz na água (DUNTLEY, 1963 apud PEREIRA, 1992). Tomando base no espectro eletromagnético, segundo Sausen & Pereira (1986), o comportamento espectral das águas, nas diferentes faixas do espectro, é o seguinte: partindo do azul, no fim do espectro, pode ser observado um contraste muito pequeno na água. Isto ocorre devido ao aumento da atenuação do sinal pela atmosfera contaminada, encontrada em muitas regiões terrestres e, também, pelas substâncias suspensas e dissolvidas na água. MOREL (1974) citado por PEREIRA (1992) ao analisar a curva de 200 a 2000nm do espectro eletromagnético, concluiu que na região do visível, mais especificamente na região do azul (450 a 550nm), o coeficiente de atenuação da água apresenta-se menor, agindo como uma janela de maior transmissão. Em ambos os lados desta janela, isto é, no ultravioleta (<200nm) e no infravermelho (>700nm), a absorção aumenta consideravelmente. Indo-se em direção ao azul-esverdeado, ao verde, ao amarelo e ao vermelho, tem-se um aumento do contraste, e uma pluma de sedimento pode ser definida. Na porção do infravermelho, a energia é completamente absorvida na superfície, não sendo possível obter-se informações dos fenômenos de sub-superfície, mas em contrapartida, tem-se uma excelente definição do corpo d água. A porção do espectro visível, saindo do verde para o laranja, aparenta proporcionar a melhor profundidade de penetração, contraste e definição pelas águas túrbidas. A turbidez é uma propriedade óptica relacionada exclusivamente à luz espalhada pelo material em suspensão e depende do comprimento de onda utilizado, do tamanho, da forma e da natureza destas partículas (PEREIRA, 1992). O aumento na turbidez causa o aumento da radiância, e, consequentemente, da reflectância. Desta forma, a medida da transparência é o meio mais prático de quantificar este fenômeno, uma vez que a turbidez é a responsável pela variação de radiância capaz de sensibilizar sensores remotos desde fotográficos até imageadores. Um instrumento utilizado em limnologia para estimar a transparência da água é Disco de Secchi, pois proporciona uma estimativa do coeficiente de atenuação da água no local. Em lagos com águas claras a profundidade do disco de Secchi é mais real, visto que nestas condições ocorre pouca dispersão da radiação, consequentemente, a radiação refletida a partir da superfície do disco é em grande parte captada pelo observador. Por outro lado, nos lagos com elevadas concentrações de compostos dissolvidos e 2

4 particulados, forte dispersão da radiação pode ocorrer, assim: a) parte da radiação que incidiria no disco é dispersa não retornando pelo caminho óptico ao observador, não sendo envolvida no processo de observação; b) parte da radiação que é refletida a partir do disco é dispersa, não retornando pelo caminho óptico ao observador; c) radiações dispersas, fora do caminho óptico original, atinge este caminho passando a ser envolvidas no processo de observação. Como resultado, observa-se freqüentemente em lagos túrbidos a subestimação dos valores do disco de Secchi (POMPÊO, 1999). Yarger et al. (1979 apud SAUSEN & PEREIRA, 1986) constataram que o inverso da profundidade do Disco de Secchi é linearmente relacionado com a carga suspensa. Desta forma, o Disco de Secchi é um importante parâmetro in situ a ser correlacionado com imagens de satélite (SAUSEN & PEREIRA, 1986). Todo corpo d água apresenta certa quantidade de material em suspensão que pode ser tanto orgânico quanto inorgânico. RITCHIE et al. (1976) citado por PEREIRA (1992) demonstraram quantitativamente que o particulado mineral em suspensão é responsável por um aumento na reflectância do corpo d água: há um aumento na radiância solar refletida na faixa do vermelho à medida que se aumenta a concentração de particulado em suspensão na água. O plâncton, mas especificamente o fitoplâncton, constitui o segundo maior responsável pelo espalhamento da luz na água, possibilitando a interceptação da radiação refletida pelos corpos d água por sensores remotos de vários tipos (PEREIRA, 1992). Yenstch (1980 apud PEREIRA, 1992) atribui a atenuação da luz na água ao próprio meio físico, o fitoplâncton e os pigmentos não biogênicos. Os pigmentos fotossintetizantes dos organismos fitoplanctônicos clorofilas, carotenóides e biliproteínas causam a absorção seletiva da radiação eletromagnética que penetra a superfície da água (NOVO, 2001). As clorofilas mais comuns são a a (mais abundante), b, c e mais raramente, a d. Segundo NOVO (2001), as principais bandas de absorção dos pigmentos fitoplanctônicos ocorre principalmente nas regiões do azul e do vermelho, sendo que as biliproteínas absorvem na faixa do verde. Isso acarreta na redução da reflectância da água na região do azul, principalmente, quando há um aumento da concentração de algas na água. 3

5 OBJETIVOS Os diferentes constituintes da água podem causar dificuldades na hora da análise, como por exemplo, ao aplicar o Índice de Estado Trófico, este pode não ser representativo da realidade, pois outros elementos presentes na água podem interferir no resultado. Para isso, é importante diferenciar os diferentes comportamentos espectrais presentes nos ecossistemas aquáticos. Diante do exposto acima, o objetivo deste trabalho é verificar os diferentes comportamentos espectrais da água, utilizando as faixas do verde, vermelho e infravermelho próximo, principalmente na distinção das macrófitas aquáticas e o corpo d água e também, tentar inferir sobre a qualidade da água nos locais estudados. Os locais de estudo foram os Reservatórios Guarapiranga, Reservatório Rio Grande e o braço Taquacetuba do Reservatório Billings. Futuramente, pretende-se continuar os estudos com base em análises geográficas, incluindo Índices de Estado Trófico, e englobar estes resultados nas dissertações de mestrado. METODOLOGIA Foram obtidas imagens pelo satélite CBERS2 do dia 30 de junho de 2005, nas faixas do verde, vermelho e infravermelho próximo. Para a análise das imagens foi utilizado o programa Idrisi Kilimanjaro. O trabalho foi realizado no LEPAC do Depto. de Ecologia do IB-USP. Inicialmente, foram selecionados os locais de estudo: Reservatório Guarapiranga, Reservatório Rio Grande e Braço Taquacetuba do Complexo Billings. Então, em cada local de estudo, foi feita uma composição colorida das três imagens (verde, vermelho e infravermelho próximo). Para o estudo do comportamento espectral da água é necessário isolar o corpo d água do resto da imagem. Para isso, foi feita uma máscara a partir da imagem agrupada e reclassificada ( cluster ) nas imagens do Reservatório Guarapiranga e Rio Grande. Na imagem do Braço Taquacetuba, a máscara foi feita pela digitalização da área do corpo d água (digitalizar a imagem como um polígono e salvar - para transformar a digitalização em imagem: refotmat -> raster to vector). 4

6 Para fazer a máscara, foi feita uma reclassificação das imagens, na qual se atribuiu valor 0 para a água e valor 1 para o resto da imagem. Assim, ao sobrepor a máscara sobre a imagem desejada (GIS -> database -> overlay: máscara como 1ª imagem e na 2ª imagem, as imagens nas diferentes bandas, e selecionar a última opção overlay option), isola-se apenas do corpo d água. Desta forma, foi possível analisar o corpo d água isoladamente em cada faixa espectral. Foram confeccionados gráficos para comparar o diferente comportamento espectral da água e das macrófitas emersas, onde estas foram observadas. Também, por meio de gráficos, foram comparadas as diferentes qualidades das águas nos locais de estudo propostos, sendo que no Reservatório Rio Grande comparou-se a região da barragem com a região a montante. RESULTADOS E DISCUSSÃO A composição colorida do Reservatório Guarapiranga, Rio Grande e Braço Taquacetuba nas bandas do vermelho, verde e infravermelho próximo podem ser observadas na Figura 1 e Figura 2, respectivamente. Figura 1 - Composição colorida das imagens nas bandas vermelho, verde e infravermelho próximo do Reservatório Guarapiranga (SP). Fonte: CBERS2 30/06/

7 Figura 2 - Composição colorida das imagens nas bandas vermelho, verde e infravermelho próximo do Reservatório Rio Grande (A) e Braço Taquaceluta (B). Fonte: CBERS2 30/06/2005. Para fazer a análise do comportamento espectral da água, foi necessário isolar o corpo d água do restante da imagem, fazendo uma máscara. A Figura 3 e Figura 4 mostram as imagens agrupadas e reclassificadas ( cluster ) do Reservatório Guarapiranga e Billings, respectivamente. No Reservatório Guarapiranga e Rio Grande, o corpo d água ficou bem definido, portanto, pode-se fazer a máscara a partir destas imagens. Já no Braço Taquacetuba, devido às macrófitas aquáticas emersas presentes neste local, foi necessário digitalizar a imagem para fazer a máscara. 6

8 Figura 3 - Imagem agrupada e reclassificada ("cluster") do Reservatório Guarapiranga. Figura 4 - Imagem agrupada e reclassificada ("cluster") do Complexo Billings. Nas Figura 5, Figura 6 e Figura 7, pode-se observar as máscaras feitas para o Reservatório Guarapiranga, Rio Grande e Braço Taquacetuba, respectivamente, conforme descrito no Item Metodologia. 7

9 Figura 5 - Máscara da imagem do Reservatório Guarapiranga. Figura 6 - Máscara da imagem do Reservatório Rio Grande. Figura 7 - Máscara da imagem do braço Taquacetuba do Complexo Billings. 8

10 A água absorve muito em todas as faixas do espectro eletromagnético. Porém, os particulados em suspensão alteram a turbidez da água, espalhando a radiação incidente, e assim, alteram a radiação emergente da água. Esta turbidez depende do tipo, da qualidade e da quantidade do particulado em suspensão. Quanto maior a quantidade de particulado mineral em suspensão, maior será a reflectância na faixa no vermelho (RITCHIE et al., 1976 apud PEREIRA, 1992). A Figura 8, Figura 9 e Figura 10 mostram o Reservatório Guarapiranga, Rio Grande e Braço Taquacetuba, respectivamente, na faixa do vermelho. Figura 8 - Imagem do corpo d'água do Reservatório Guarapiranga na faixa do vermelho. 9

11 Figura 9 - Imagem do corpo d'água do Reservatório Rio Grande na faixa do vermelho. Figura 10 - Imagem do corpo d'água do Braço Taquacetuba na faixa do vermelho. Os dados de turbidez são freqüentemente utilizados para o cálculo de índices de estado trófico e se relacionam com a qualidade de um corpo d água. Neste estudo, podese observar maior turbidez da água, representado pela maior reflectância na faixa do vermelho, no Braço Taquacetuba, seguido pela região a montante do Reservatório Rio 10

12 Grande, Reservatório Guarapiranga e por último, a região da barragem do Reservatório Rio Grande (Figura 14). A maior turbidez observada no Braço Taquacetuba, em comparação com a Região da Barragem do Reservatório Rio Grande a partir da análise do comportamento espectral da água, pode ser corroborada por dados obtidos em campo, segundo NISHIMURA et al. (2005). Na faixa do verde, observa-se baixo coeficiente de absorção da clorofila-a (GOEDHEER, 1966 apud PEREIRA, 1992), o que pode ser interpretado como uma alta reflectância deste pigmento nesta faixa espectral. A Figura 11, Figura 12 e Figura 13 mostram o Reservatório Guarapiranga, Rio Grande e Braço Taquacetuba, respectivamente, na faixa do verde. Figura 11 - Imagem do corpo d'água do Reservatório Guarapiranga na faixa do verde. 11

13 Figura 12 - Imagem do corpo d'água do Reservatório Rio Grande na faixa do verde. Figura 13 - Imagem do corpo d'água do Braço Taquacetuba na faixa do verde. Analisando a faixa espectral do verde, que representa a concentração de clorofila, foi obtida a mesma tendência observada na faixa espectral do vermelho, ou seja, o local com maior reflectância foi no Braço Taquacetuba, seguido pela região a montante do Reservatório Rio Grande, Reservatório Guarapiranga e por último, a região 12

14 da barragem do Reservatório Rio Grande. Tal fato, também pode ser corroborado pelas concentrações de clorofila-a obtidas em campo para o Braço Taquacetuba e Reservatório Rio Grande na região da barragem por NISHIMURA et al. (2005). No Braço Taquacetuba a concentração de clorofila-a em agosto de 2005 foi em média 40µg/l e no Rio Grande (barragem) foi 12µg/l. Esta diferença nas concentrações de clorofila-a pode ser explicada pelo manejo realizado pela SABESP na região da barragem do Reservatório Rio Grande, uma vez que grande quantidade de algicidas é adicionada à água para não comprometer a captação para abastecimento público. Comportamento espectral da água número digital verde vermelho ivp Comprimento de onda Guarapiranga Taquacetuba Rio Grande (barragem) Rio Grande (montante) Figura 14 - Comportamento espectral da água nas faixas do verde, vermelho e infravermelho próximo no Reservatório Guarapiranga. Rio Grande e braço Taquacetuba. Segundo POMPÊO et al. (2005), o Reservatório Rio Grande possui uma heterogeneidade espacial entre a região a montante e a jusante. A região a jusante possui melhor qualidade de água. A análise da Figura 15 mostra que a montante existe maior concentração de material em suspensão e clorofila-a do que a jusante, pela observação da reflectância nas faixas espectrais do vermelho e do verde, respectivamente. 13

15 Comportamento espectral da água no Reservatório Rio Grande na região da barragem e a montante 40 número digital verde vermelho ivp comprimento de onda barragem montante Figura 15 - Comportamento espectral da água na região da barragem e a montante nas faixas do verde, vermelho e infravermelho próximo no Reservatório Rio Grande. A faixa do infravermelho próximo é utilizada como parâmetro para o estudo da vegetação. A Figura 16, Figura 17 e Figura 18 mostram o Reservatório Guarapiranga, Rio Grande e Braço Taquacetuba, respectivamente, na faixa do infravermelho próximo. Portanto, em estudo limnológicos, usa-se esta faixa do espectro eletromagnético para identificar as macrófitas aquáticas emersas, uma vez que nesta faixa a reflectância da folha é alta, devido à ausência de material capaz de absorver e ao retroespalhamento (PEREIRA, 1992). Desta forma, foi possível identificar as macrófitas aquáticas emersas no Reservatório Guarapiranga e no Braço Taquacetuba. Isto pode ser observado nas figuras do infravermelho próximo, onde as macrófitas são representadas pela porção mais clara (Figura 16 e Figura 18). No Reservatório Rio Grande, não foi observado presença de macrófitas aquáticas emersas (Figura 17). 14

16 Figura 16 - Imagem do corpo d'água do Reservatório Guarapiranga na faixa do infravermelho próximo. Figura 17 - Imagem do corpo d'água do Reservatório Rio Grande na faixa do infravermelho próximo. 15

17 Figura 18 - Imagem do corpo d'água do Braço Taquacetuba na faixa do infravermelho próximo. Os gráficos confeccionados para o Reservatório Guarapiranga e Braço Taquacetuba demonstram claramente as diferenças de reflectância entre as macrófitas e a água na faixa do infravermelho próximo (Figura 19 e Figura 20). Os valores que representam a reflectância das macrófitas foram muito diferentes nos locais estudados (ND Guarapiranga = 35 e ND Taquacetuba = 100, Figura 21), o que pode indicar que as macrófitas aquáticas emersas pertencem a espécies diferentes, pois cada espécie de macrófita aquática possuiu uma assinatura espectral específica, relacionado à sua morfologia e fisiologia. Em estudo realizado por PALOMBO & PEREIRA (1992) observou-se número digital 34 para aguapé e 79 para alface d água (os números digitais foram corrigidos em relação ao efeito do ângulo de elevação solar), relativos à resposta espectral obtida por satélite. 16

18 Comportamento espectral de água e macrófitas na Represa Guarapiranga número digital verde vermelho ivp água macrófita comprimento de onda Figura 19 - Comportamento espectral da água e das macrófitas emersas nas faixas do verde, vermelho e infravermelho próximo no Reservatório Guarapiranga. Comportamento espectral da água e macrófitas no braço Taquacetuba, Represa Billings número digital verde vermelho ivp comprimento de onda água macrófita Figura 20 - Comportamento espectral da água e das macrófitas emersas nas faixas do verde, vermelho e infravermelho próximo no Braço Taquacetuba do Reservatório Billings. 17

19 Comportamento espectral das macrófitas aquáticas número digital verde vermelho ivp Comprimento de onda Guarapiranga Taquacetuba Figura 21 - Comportamento espectral das macrófitas emersas nas faixas do verde, vermelho e infravermelho próximo no Reservatório Guarapiranga e braço Taquacetuba. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS O uso do sensoriamento remoto é uma importante ferramenta para estudos limnológicos. A análise do comportamento espectral da água e dos seus diferentes constituintes é muito importante para diferenciar as assinaturas obtidas, permitindo um estudo mais próximo da realidade. Porém, deve-se salientar que a obtenção de dados em campo é fundamental para dar suporte às informações obtidas por imagens de satélite. A iniciativa de diferenciar o comportamento espectral da água e seus componentes foi um primeiro passo para uma análise mais realista dos índices de estado trófico, que posteriormente serão aplicados aos locais de estudo e incorporados nas dissertações de mestrado das alunas. 18

20 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS HELLWEGER, F. L., SCHLOSSER, P., LALL, U., WEISSEL, J. K. Use of satellite imagery for water quality studies in New York Harbor. Estuarine, Coastal and Shelf Science 61: NISHIMURA, P. Y., MOSCHINI-CARLOS, V., POMPÊO, M. L. M., GIANESSELLA, S. M. F., SALDANHA-CORRÊA, F. M. P. A comunidade fitoplanctônica nos braços Rio Grande e Taquacetuba do Complexo Billings, São Paulo. X Congresso Brasileiro de Limnologia. Ilhéus, BA: Sociedade Brasileira de Limnologia, CD-ROOM, trabalho 358p NOVO, E. M. L. M. Sensoriamento remoto. Editora Edgard Blücher Ltda. São Paulo SP NOVO, E. M. L. M. Comportamento espectral da água. In: MENESES, P. R. & NETTO, J. S. M. (Orgs.). Sensoriamento remoto reflectância dos alvos naturais. Editora Universidade de Brasília UnB. Embrapa Cerrados PALOMBO, C. R. & PEREIRA, M. D. B. Monitoramento de plantas aquáticas por satélite. Ambiente vol. 6 no p PEREIRA, M. D. B. Parâmetros limnológicos passíveis de serem monitorados através de dados espectrais obtidos por sensores remotos arbitais. Tese de dourado. Universidade Federal de São Carlos. São Paulo POMPÊO, M.L.M. O disco de Secchi. Bioikos, 13(1/2): 40-45, POMPÊO, M. L. M., MOSCHINI-CARLOS, V., MARIANI, C. F., CARODOSO- SILVA, S., NISHIMURA, P. Y., GOLÇALVES, P. K., PADIAL, P. R., BRAIDOTTI, J. C., LIMA, M. MENUSIER, M. Qualidade da água do Complexo Billings, São Paulo, Brasil. X Congresso Brasileiro de Limnologia. Ilhéus, BA: Sociedade Brasileira de Limnologia, CD-ROOM, trabalho 217p SAUSEN, T. M. & PEREIRA, M. D. B. Estudo de qualidade d água de reservatórios, utilizando técnicas de sensoriamento remoto: conceitos metodológicos. In: Anais do Simpósio latino americano de sensoriamento remoto / IV Simpósio brasileiro de sensoriamento remoto / VI Reunion plenária selper.vol. 1. Gramado, RS, Brasil,

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