ÍNDICE DE VEGETAÇÃO E TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE POR SENSORIAMENTO REMOTO PARA O SERTÃO DO SÃO FRANCISCO

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1 ÍNDICE DE VEGETAÇÃO E TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE POR SENSORIAMENTO REMOTO PARA O SERTÃO DO SÃO FRANCISCO Rochele Sheila Vasconcelos 1 *; Suzana Maria Gico Lima Monteiro 2 ; Geber Barbosa de Albuquerque Moura 3 ;Ana Claudia Villar e Luna Gusmão 4 ; Bernardo Barbosa da Silva 5 ; Leidjane Maria Marciel de Oliveira 6 ;Victor Hugo Rabelo Coelho 7 Resumo: O objetivo deste trabalho foi avaliar as mudanças ocorridas no Índice de Vegetação de Diferença Normalizada (NDVI) e na temperatura da superfície em diferentes alvos da superfície terrestre, obtidos por imagens de satélite. Foram utilizadas duas cenas do Landsat 5 - TM, obtidas no catálogo de imagens do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, que correspondem à órbita 217 e ponto 66. Houve um aumento dos valores de NDVI para áreas de cultivos agrícolas de 10,4% da cena de 2004 para 2009, e uma diminuição dos valores de temperatura da superfície em 1,9 º C para essa mesma érea de estudo. No centro urbano não houve grande diferença temporal e espacial entre as variáveis estudadas. Palavras-chave: índice de vegetação, Landsat 5, semiárido NDVI AND TEMPERATURE OBTAINED AREA SENSING FOR SERTÃO OF SÃO FRANCISCO Abstract: The aim of this study was to evaluate the changes in Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and surface temperature at different targets the Earth's surface, obtained by satellite imagery. We used two satellite scenes Landsat 5 TM (Thematic Mapper), obtained in the catalog of images of the National Institute for Space Research, which correspond to orbit 217 and point 66. There was an increase in NDVI values for erea agricultural cultivation 10.4% of the scene from 2004 to 2009 and a decrease in the surface temperature values in 1.9 C for the same study area. In the inner city was not large temporal and spatial difference between variables. Keywords: vegetation index, Landsat 5, semiárido INTRODUÇÃO Em algumas áreas da região Nordeste do Brasil tem ocorrido mudanças ambientais decorrentes da substituição da vegetação nativa pela agricultura irrigada, sendo estas raramente consideradas no manejo dos recursos hídricos (Gordon et al., 2005). Um problema já constatado em 1* Bolsista de Pós-Doutorado da CAPES/FACEPE/APAC em Engenharia Civil na Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), rochelly17@hotmail.com 2 Professora do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), suzanam@ufpe.br 3 Professor do Departamento de Agronomia da Universidade Federal Rural de Pernambuco (URPE), geber@depa.ufrpe.br 4 Doutoranda em Engenharia Agrícola da Universidade Federal Rural de Pernambuco (UFRPE), villareluna@yahoo.com.br 5 Bolsista Pesquisador da FACEPE do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), bbdasilva.ufpe@gmail.com 6 Professora do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), campus Caruaru. leidjaneoliveira@hotmail.com 7 Doutorando em Engenharia Civil da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), victor-coelho@hotmail.com XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 algumas microrregiões do Nordeste como, por exemplo, nas áreas irrigadas do Projeto Senador Nilo Coelho em Petrolina - Pernambuco, é o uso não sustentável dos recursos hídricos que abastecem tais áreas, segundo Moura (2001). As técnicas baseadas em medições realizadas por sensores orbitais são mais apropriadas porque reúnem grande cobertura espacial e têm baixo custo operacional (Di Pace et al., 2008). O Índice de Vegetação de Diferença Normalizada (NDVI) é um parâmetro importante para o monitoramento da vegetação e tem sido utilizado para construir perfis, sazonal e temporal, das atividades da vegetação, o que permite comparações inter-anuais desses perfis (Ponzoni e Shimabukuro, 2007) e podem ser utilizados ainda em estudos de tendência a secas, segundo Sruthi e Aslam (2014). A agricultura irrigada na região semiárida da Bacia do Rio São Francisco, onde está localizado o perímetro irrigado Senador Nilo Coelho que abrange as cidades de Petrolina- Pernambuco e Juazeiro-Bahia, constitui uma atividade importante para o potencial produtivo, devido ao baixo nível de precipitação pluviométrica, com um período de estiagem anual de oito meses, de abril a novembro. O potencial para a produção de frutas na região foi confirmado pela contínua expansão de áreas irrigadas, onde, vinhedos e pomares de manga, são as principais culturas agrícolas. Segundo Silva et al. (2014) os avanços das áreas agrícolas na região do semiárido brasileiro vêm promovendo modificações importantes no ecossistema local, por meio da substituição da vegetação nativa (caatinga). Necessário, se faz, portanto, que se avaliem os impactos que essas mudanças podem estar provocando nas trocas de energia e massa entre a superfície e a atmosfera. O objetivo deste trabalho foi avaliar as mudanças ocorridas no NDVI e temperatura da superfície em diferentes alvos da superfície terrestre no Sertão do São Francisco, obtidos por sensoriamento remoto. MATERIAL E MÉTODOS A pesquisa foi realizada na região semiárida da Bacia do Rio São Francisco, área que abrange a cidade de Petrolina-Pernambuco, no qual está inserida na Unidade de Planejamento 7 (UP27), que corresponde ao Grupo de Bacias de Pequenos Rios Interiores 8 (GI8), que está localizada no extremo oeste do Estado de Pernambuco entre 07º e 07º de latitude sul, e 39º e 39º de longitude oeste. O GI8 limita-se ao norte com a bacia do rio Pontal (UP13), ao sul e a leste com o rio São Francisco, e a oeste com o Estado da Bahia. O grupo GI8 é formado por pequenos riachos que deságuam na margem esquerda do rio São Francisco. Destacam-se, dentre eles, os riachos Vitória, das Porteiras, Salina, Bebedouro e Imburana, que drenam a porção sul do município de Petrolina (APAC, 2015). Foram utilizadas duas imagens do sensor TM (Thematic Mapper) do satélite Landsat 5 com resolução espacial de 30 m, obtidas no catálogo de imagens do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). As imagens correspondem à órbita 217 e ponto 66. Foram realizados dois recortes que abrangem áreas de culturas agícolas e área que corresponde à cidade de Petrolina-PE (Figura 1). As imagens obtidas correspondem as seguintes datas descritas na Tabela 1. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Tabela 1- Datas das imagens, hora, ângulo de elevação do Sol e cosseno do ângulo zenital (Cos θ), inverso do quadrado da distância relativa Terra-Sol (d r ) Datas Hora (UTM) Ângulo de Elevação do Sol Cos θ d r 12/10/ :32:25 62,0465 0, , /11/ :38:27 61,2242 0, ,0275 A. B. Figura 1- Recorte da área de estudo com destaque nas áreas : (A) Área agrícola e (B) Centro urbano que corresponde a cidade de Petrolina-Pernambuco. O processamento das imagens foi executado com o software ERDAS Imagine versão 9.1 e as operações matemáticas na ferramenta Model Maker, disponibilizado pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE). A primeira etapa no processamento das imagens consistiu na determinação da radiância, seguida da reflectância, que podem ser encontradas em Allen et al. (2002), Silva et al. (2005a), Bezerra et al. (2014). O Índice de Vegetação de Diferença Normalizada (NDVI) é dado pela razão entre a diferença das refletividades do Infra-vermelho-próximo ( vi ) e do vermelho ( v ), pela soma das mesmas, ou seja: IV V NDVI (1) IV V em que: ρ IV e ρ V correspondem respectivamente às as bandas 4 e 3 do TM - Landsat 5. O NDVI atua como um indicador sensível da quantidade e da condição da vegetação verde, seus valores variam de -1 a +1. Para superfícies com alguma vegetação o NDVI varia de 0 e 1; já para a água e nuvens o NDVI, geralmente, é menor que zero. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Para obtenção da temperatura da superfície (T s ) são utilizados a radiância espectral da banda termal - L λ,6 e a emissividade ε NB. Dessa forma, obtém-se a temperatura da superfície (K) por meio da seguinte equação: K 2 Ts (2) NBK1 ln 1 L,6 em que: K 1 = 607,76 Wm -2 sr -1 μm -1 e K 2 = 1260,56 K são constantes de calibração da banda termal do Landsat 5 TM (Chander e Markhan, 2003). Para o cálculo da emissividade foi utilizada a seguinte expressão: 0,97 0,0033.IAF (3) NB em que IAF é o Índice de Área Foliar (adimensional), que é definido pela razão entre a área foliar de toda a vegetação por unidade de área utilizada por essa vegetação (Allen et al., 2007). A equaçõa acima é válida para NDVI>0 e IAF<3. Para valores de IAF 3, ε NB = 0,98. Para NDVI<0, ε NB = 0,99. Para a determinação do IAF utilizou-se a seguinte parametrização: 0,69 SAVI ln 0,59 IAF (4) 0,91 em que o Soil Adjusted Vegetation Index-SAVI (índice de vegetação para ajuste do solo), que foi obtido por: 1 L IV V L SAVI IV V (5) em que: p Iv e p v correspondem, respectivamente, às bandas do infravermelho próximo e do vermelho e L é uma constante que depende do tipo de solo e o valor mais utilizado é 0,5 (SILVA et al., 2005a) RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 2 detalha os valores da precipitação pluviométrica obtidos no site a cada minuto na estação de Petrolina-Pernambuco, referente aos três meses até a data de passagem do satélite para o dia 12/10/2004, que registrou precipitação acumulada de 0,5 mm, enquanto que para o dia 27/11/2009 apresentou uma precipitação acumulada de 130,51 mm. Tabela 2 Precipitação pluviométrica (mm) referente aos três meses até a data de passagem do satélite para o dia 12/10/2004 e 27/11/2009 Ano Julho Agosto Setembro Outubro Novembro ,25 0,25 0,0 0, ,81 0,0 126,7 0,0 XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 Na Figura 2 estão dispostas as cartas temáticas do NDVI para os alvos em estudo referente aos dias 12/10/2004 e 27/11/2009. Foi possível observar que houve grande variação espacial e temporal dos valores de NDVI entre o período estudado para área de cultivo agrícola. Observou-se que em muitas áreas de solo exposto com NDVI (0-0,1) na cena referente ao ano de 2004 passou a conter algum tipo de cobertura vegetal, certamente caatinga, sendo influenciado pela precipitação ocorrida um mês antes da passagem do satélite na cena de Silva et al. (2005b) obtiveram valores de NDVI de 0,16 e 0,17 em solos expostos nos anos de 2000 e 2001, respectivamente, na região de Petrolina-PE. A) B) C) D) Figura 2 - Cartas temáticas do NDVI para áreas de estudo: (A) cultivo agrícola 12/10/2004, (B) cultivo agrícola 27/11/2009, (C) centro urbano12/10/2004 e (D) centro urbano 27/11/2009. Na Tabela 3 são apresentados os valores médios do NDVI para áreas agrícolas e centro urbano, referente às seguintes datas: 12/10/2004 e 27/11/2009 com sua respectiva diferença média absoluta (DMA). Observou-se um aumento dos valores médios do NDVI em 10,4% para áreas agrícolas da cena de 2004 para cena de 2009, o mesmo resultado foi observado no centro urbano, apresentando um aumento de 4,9% nos valores de NDVI. Tabela 3 - Valores médios do NDVI e da diferença média absoluta (DMA), para a área agrícola e centro urbano referente as seguintes datas: 12/10/2004 e 27/11/2009 Alvos Datas Média DMA Área agrícola 12/10/2004 0,292 27/11/2009 0,396 10,4% Centro Urbano 12/10/2004 0,187 27/11/2009 0,236 4,9% Na Figura 3 estão dispostas as cartas temáticas da temperatura da superfície para áreas cultivo agrícola e centro urbano, referente às cenas em 12/10/2004 e 27/11/2009, apresentando grande XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 variabilidade espacial entre os anos estudados apenas para áreas agrícolas provavelmente devido a maior presença de vegetação. As áreas que correspondiam a solo exposto na cena de 2004 apresentavam temperatura > 36 º C, já em 2009 com a presença provavelmente de vegetação caatinga a temperatura da superfície encontra-se entre as classes de 26 a 35 º C. Silva et al. (2005b) observaram temperatura da superfície em áreas irrigadas do Projeto Senador Nilo Coelho de 23,1 º C em 2000 e 24,7 º C em 2001 e em áreas de vegetação caatinga valores de 33,3 e 35,7 º C para os anos de 2000 e 2001, respectivamente, valores próximos aos obtidos no presente estudo. No centro urbano não ocorreu grande variação temporal. Oliveira et al. (2012) observaram uma brusca mudança de classe de temperatura da superfície entre 10/7/1989 (18 23ºC) e 29/8/2007 (23 30ºC), diferenciando-se dos resultados obtidos nesse estudo, os mesmos autores obtiveram temperatura da superfície maior que 30 º C nos centros urbanos das cidades de Pombos e Vitória de Santo Antão em 29/8/2007, corroborando com os resultados obtidos nesse estudo, onde observou-se valores superiores a 30 º C no centro urbano de Petrolina. A) B) C) D) Figura 3 - Cartas temáticas da temperatura da superfície para áreas de estudo: (A) cultivo agrícola 12/10/2004, (B) cultivo agrícola 27/11/2009, (C) centro urbano12/10/2004 e (D) centro urbano 27/11/2009. Na Tabela 4 estão representados os valores da temperatura da superfície média para os dois alvos estudados. Observa-se que houve uma diminuição da temperatura da superfície em áreas agrícolas de 1,98 º C e no centro urbano a temperatura média apresentou uma diferença menor de 0,5 º C. Tabela 4 - Valores médios da temperatura da superfície (º C) e da diferença média absoluta (DMA) para a área agrícola e centro urbano referentes a 12/10/2004 e 27/11/2009 Alvos Datas Média DMA Área agrícola 12/10/ ,71 1,98 XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Centro Urbano 27/11/ ,73 12/10/ ,90 27/11/ ,40 0,5 Sruthi e Mohammed (2015), estudando a temperatura da superfície e o NDVI, observaram que pode ser claramente notado que ambos os parâmetros são inversamente proporcionais entre si. Quando a temperatura é maior, o valor NDVI é menor que aponta a diminuição na densidade de vegetação, como pode ser observado no presente estudo. CONCLUSÕES Houve um aumento dos valores de NDVI para érea de cultivo agrícola da cena de 2004 para 2009 e uma diminuição dos valores de temperatura da superfície para essa mesma área de estudo, em função da ocorrência de precipitação pluviométrica e pela maior presença de vegetação existente na cena de Entre as cenas estudadas não foi possível observar aumento de áreas agrícolas. No centro urbano não houve grande diferença temporal e espacial entre as variáveis estudadas. AGRADECIMENTOS À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Brasil pela concessão de bolsa de pós-doutorado do primeiro autor e apoio financeiro; à Fundação de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco (FACEPE), à Agência Pernambucana de Águas e Clima (APAC) pela concessão de bolsa de pós-doutorado do primeiro autor, ao CNPq pelas bolsas PQ. REFERÊNCIAS ALLEN, R. G.; TASUMI, M.; TREZZA, R. (2007). Satellite-based energy balance for mapping evapotranspiration with internalized calibration (METRIC) - Model. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 133 (4), pp ALLEN, R.; TASUMI, M.; TREZZA, R.; WATERS, R.; BASTIAANSSEN, W. (2002). Surface energy balance algorithms for land. Idaho Department of Water Resources, 97p. APAC, Agência Pernambucana de Água e Clima. Bacias Hidrográficas. (2015). Disponível em: < Acesso em: 25 de maio de BEZERRA, J. M.; MOURA, G. B. DE A.; SILVA, B. B. DA; LOPES, P. M. O.; SILVA, E F. DE F. E. (2014). Parâmetros biofísicos obtidos por sensoriamento remoto em região semiárida do estado do Rio Grande do Norte, Brasil. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 18, pp XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 CHANDER, G.; MARKHAM, B. (2003). Revised Landsat-5 TM Radiometric Calibration Procedures and Post calibration Dynamic Ranges. IEEE Transactions On Geoscience And Remote Sensing. 41, pp DI PACE, F. T.; SILVA, B. B. DA; SILVA, V. DE P. R. DA; SILVA, S. T. A. DA. (2008). Mapeamento do saldo de radiação com imagens Landsat 5 e modelo de elevação digital. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 12, pp GORDON, L.J.; STEFFEN, W.; JÖNSSON, B.F.; FOLKE, C.; FALKENMARK, M.; JOHANNESEN, Å. (2005). Human modification of global water vapor flows from the land surface. Proceedings of the National Academy of Sciences, 102 (21), pp HUETE, A. R. (1988). Adjusting vegetation indices for soil influences. International Agrophysics 4 (4), pp MOURA, M. S. B. (2001). Fenologia e consumo hídrico da goiabeira (Psidium guajava L.) irrigada. Campina Grande: DCA/CCT/ UFPB, 124p. (Dissertação de Mestrado). OLIVEIRA, L. M. M. DE; MONTENEGRO, S. M. G. L.; ANTONINO, A. C. D.; SILVA, B. B. DA; MACHADO, C. C. C.; GALVÍNCIO, J. D. (2012). Análise quantitativa de parâmetros biofísicos de bacia hidrográfica obtidos por sensoriamento remoto. Pesquisa Agropecuária Brasileira, 47, pp PONZONI, F.J.; SHIMABUKURO, Y.(2007). Sensoriamento remoto no estudo da vegetação. São José dos Campos: A Silva Vieira Ed. 127 p. SILVA, T. G. F. DA; MOURA, M. S. B.DE; ZOLNIER, S.; MOURA, L. S. B. DE; CARMO, J. F. A. DO. (2014). Índices morfofisiológicos e uso de radiação solar por um cultivo de cana-de-açúcar irrigada no semiárido brasileiro. Revista Brasileira de Geografia Física, 7, pp SILVA, B. B. DA.; LOPES, G. M.; AZEVEDO, P. V. DE. (2005a).Balanço de radiação em áreas irrigadas utilizando imagens Landsat 5 - TM. Revista Brasileira de Meteorologia, 20, pp SILVA, B. B.; LOPES, G. M., AZEVEDO, P. V. (2005b). Determinação do albedo de áreas irrigadas com base em imagens Landsat 5 - TM. Revista Brasileira de Agrometeorologia 13, pp SRUTHI.S, AND MOHAMMED ASLAM.M.A., (2014) Vegetation Stress Analysis Using Ndvi at Drought Prone Raichur District, Karnataka. In Anais do IWRM International Symposium. SRUTHI.S, M.A.& MOHAMMED, A. (2015). Agricultural Drought Analysis Using the NDVI and Land Surface Temperature Data; a Case Study of Raichur District. Aquatic Procedia, 4, pp XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8