Balanço de radiação à superfície na região de Gilbués-PI, utilizando imagens do TM/Landsat 5

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1 Blnço de rdição à superfície n região de Gilbués-PI, utilizndo imgens do TM/Lndst 5 Mdson Tvres Silv 1, Everson Btist Mrino 1 Richelle Kehrle de Pul 1 Pollynn Kelly de Oliveir Silv 1 1 Universidde Federl de Cmpin Grnde - UFCG Cix Postl Cmpin Grnde - PB, Brsil mdson_tvres@hotmil.com, everson@dc.ufcg.edu.br, richellewell@hotmil.com, polyn_kely@hotmil.com Abstrct. This study imed to determine the blnce of rdition t the surfce, bsed in the seven spectrl bnds of the Lndst 5 Themtic Mpper. We considered two imges obtined on 13/6/1987 nd 6/6/28, involving the region region locted in the southern stte of Piuí, the study re includes the city of Gilbués, Brreirs do Piuí, Monte Alegre do Piuí e São Gonçlo do Gurguéi, ws used for both the Surfce Energy Blnce Algorithm for Lnd - SEBAL. As result of the process nd the lbedo of vegettion indices bsed on the rdince of reflective chnnels (1, 2, 3, 4, 5 nd 7) nd the temperture of ech pixel with the therml chnnel (6) of Lndst 5 - MT. Vlues of the incident solr rdition nd tmospheric rdition were estimted bsed on dt from meteorologicl sttion's surfce. Generlly, the blnce of rdition - Rn the scene s whole in 1987, which reched the verge time of pssge of the stellite equl to Wm -2, ws lower thn in 28, with verge of Wm -2. Plvrs-chve: remote sensing, imge processing, NDVI, sensorimento remoto, processmento de imgens, IVDN 1. Introdução O Município de Gilbués no Estdo do Piuí é um dos Núcleos de Desertificção citdos no Plno Ncionl de Combte à Desertificção (PNCD), sendo considerdo um áre crític de desertificção e um exemplo contundente de como ções ntrópics podem lterr profundmente s crcterístics nturis de uniddes de pisgens, ssim como reconfigurr estrutur de todo um ecossistem (Silv et l., 27). As áres sob processos de desertificção são constituíds de solos bstnte sensíveis o processo gressivo de mnejo de gricultur e minerção, pois cobertur é constituíd de vegetção de pequeno porte e de solos clros ou vermelhdos, crcterizdos por bixos teores de mtéri orgânic e umidde, sendo então de grnde importânci estudos que crcterizm os processos dinâmicos e físicos de cobertur de solo n região, deste modo o uso lgoritmos do sensorimento remoto, são muito utilizdos em estudos dos fluxos de clor ltente e sensível à superfície (Bstinssen et l., 1998; Bstinssen, 2; Morse et l., 21; Allen et l., 22), é o SEBAL - Surfce Energy Blnce Algorithm for Lnd. O SEBAL é um lgoritmo que utiliz imgens de stélite e poucos ddos de superfície pr estimr os fluxos de clor ltente, sensível e no solo. O uso do SEBAL tem grnde vntgem de proporcionr o blnço de energi à superfície de mneir efetiv e econômic. Possibilit grnde cobertur espcil e, dependendo do sensor orbitl que o liment com ddos dos cnis reflectivos e termis, pode tmbém ter grnde resolução espcil. O SEBAL tem sido utilizdo pr estimr, de form simples e eficz, o lbedo e tempertur d superfície com imgens Lndst 5 (Bstinssen et l., 1998; Dubyh, 1992; Grnger, 2; 131

2 Boegh et l., 22) e AVHRR-NOAA (Hucek & Jcobowitz, 1995; Ling, 22). O sldo de rdição exerce um ppel fundmentl nos métodos que estimm evpotrnspirção, componente essencil do blnço hídrico, especilmente qundo superfície do solo é mntid úmid trvés d irrigção. Deste modo, este trblho objetivou determinr o blnço de rdição em áres degrdds, com bse em imgens do Mpedor Temático do Lndst 5 e lguns ddos complementres de superfície. 2. Mteriis e Métodos A áre de estudo compreende os territórios municipis de Gilbués, Brreirs do Piuí, Monte Alegre do Piuí e São Gonçlo do Gurguéi, o qudrnte está loclizdo entre os meridinos 45º38 51 e 44º53 24 de longitude Oeste e os prlelos 1º1 35 e 9º39 de ltitude Sul. Fzendo prte d microrregião do Alto Médio Gurguéi (Figur 1). Figur 1. Loclizção d áre do estudo. As condições climátics d áre do estudo (com ltitude d sede 481 m cim do nível do mr) presentm temperturs mínims de 25ºC e máxims de 36ºC, com clim quente e semi-úmido. A precipitção pluviométric médi nul é definid no Regime Equtoril Continentl, com isoiets nuis em torno de 8 12 mm e período chuvoso estendendose de novembro dezembro e de bril mio, (IBGE, 1977). Os solos d região, provenientes d lterção de renito, conglomerdo, folhelho, clcário, silexito e siltito, são espessos, jovens, com influênci do mteril subjcente, compreendendo ltossolos mrelos, álicos ou distróficos, textur médi, ssocidos com reis qurtzoss e/ou podzólico vermelho-mrelo concrecionário, plíntico ou não plíntico, fse cerrdo tropicl subcducifólio e mt de cocis (JACOMINE et l., 1986). A áre de estudo está inserid n fix de trnsição entre o domínio dos cerrdos do Brsil Centrl e o domínio do semi-árido do nordeste brsileiro. Pr relizção deste estudo form utilizds: (1) dus cens do sensor TM/LANDSAT 5, órbit/cen 22/67, dtds de 13 de junho de 1987 e 6 de junho de 28. As especificções ds imgens estão presentds n Tbel 1. (2) pr obtenção do Blnço de rdição à superfície BRS form desenvolvidos vários modelos com o Model Mker do 132

3 Erds 9.1, destindos às trefs descrits ns seções bixo. Ademis, form feits estimtivs d rdição solr incidente n áre estudd, bem como d rdição de onde long emitid pel tmosfer, n direção d superfície. Tbel 1. Descrição dos cnis do Mpedor Temático (TM) do Lndst 5, com correspondentes intervlos de comprimentos de ond, coeficientes de clibrção (rdiânci mínim - e máxim b) e irrdiâncis espectris no topo d tmosfer (TOA). Coeficientes de clibrção Descrição dos Cnis Comprimento de ond - µm Wm -2 st -1 µm -1 K λ (λ i ) - W/m 2 µm b Bnd 1 (zul),45 -,52-1,52 152, Bnd 2 (verde),53 -,61-2,84 296, Bnd 3 (vermelho),62 -,69-1,17 24, Bnd 4 (infr-vermelho próximo),78 -,9-1,51 26,3 147 Bnd 5 (infr-vermelho médio) 1,57-1,78 -,37 27,19 219,3 Bnd 6 (infr-vermelho terml) 1,4-12,5 1,238 15,3 - Bnd 7 (infr-vermelho médio) 2,1-2,35 -,15 14,38 74,52 - Clibrção rdiométric Foi definido como o processo de conversão do Número digitl - ND de cd pixel d imgem, em rdiânci espectrl monocromátic L λi. Pr s bnds reflectivs do Lndst 5 TM, quis sejm: cnis 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, esss rdiâncis monocromátics representm energi solr refletid por cd pixel, por unidde de áre, de tempo, de ângulo sólido e por unidde de comprimento de ond, porém medid o nível d órbit do Lndst, que é d ordem de 75 Km de ltur, pr tnto foi utilizd Equção (1) propost por Mrkhm & Bker (1987): bi i Lλ i = i + ND (1) 255 em que i e b i são s rdiâncis espectris mínim e máxim (Wm -2 sr -1 µm -1, Tbel 1), ND é intensidde do pixel (número inteiro de 255) e i = 1, 2,..., 7, corresponde às bnds 1, 2,...,7, do TM Lndst 5. - Refletânci Foi definid como rzão entre fluxo emergente d tmosfer e o fluxo incidente no seu topo, n região e bnd espectrl nlisd; sendo computd prtir dos mps de rdiânci espectrl de cd bnd, informções sobre o cos Z e irrdiânci espectrl no topo d tmosfer (Tbel 1) pr cd bnd, estimou-se refletânci espectrl plnetári em cd bnd, trvés d Equção (2) definid por (Bstinssen, 1995): r Lλ π p = i K cos Z (2) d λ r em que r pi é refletânci plnetári d bnd i, K λ é irrdiânci solr espectrl no topo d tmosfer (Tbel 1), Z é o ângulo zenitl do Sol e d r é o inverso do qudrdo d distânci reltiv Terr Sol d s, em uniddes stronômics, que é dd por: 2π ( J 93,5) d r = 1+,167sen (3) 365 em que J é o di Julino e o rgumento d função seno se encontr em rdino. Por su vez, o ângulo Zenitl do Sol não precisou ser clculdo, pois o mesmo se encontrv disponível no cbeçlho ds imgens dquirids pr o estudo, quis sejm: pr o di 13 de junho de 1987, Z= 48,98º; e pr o di 6 de junho de 28, Z= 44,38º. O vlor do ângulo de elevção do Sol (E), pr s coordends do centro d cen originl d imgem. 133

4 - Albedo plnetário (r p ) Foi obtido com bse n refletânci de bnds que não cobrem totlmente o espectro de,3 µm 3, µm, foi ssim utilizdo um combinção liner ds refletâncis plnetáris obtids n etp nterior, segundo procedimento utilizdo por Bstinssen (1995), válido pr dis de céu clro, sendo definido pel Equção (4): rp t =,293rp + r (4) p +,274r 1 p +,233r,157,33, 11 2 p + r 3 p + r 4 p5 em que: r p1, r p2, r p3, r p4, r p5 e r p7 são os lbedos plnetários ns bnds 1, 2, 3, 4, 5 e 7. - Albedo d Superfície Foi obtido trvés d Equção (5) definid por (Bstinssen, 1995; Morse et l., 21; Allen et l., 22), plicd dis de céu clro: r r = p b em que: represent o lbedo d tmosfer (vlores de,25,35) e b corresponde o qudrdo d trnsmissividde tmosféric, τ sw, que pode ser obtid segundo Equção (6) propost por Allen et l. (22): 5 τ sw = z em que: z represent ltitude de cd pixel. Como form de simplificr su plicção, escolheu-se ltitude de Gilbués (481 m), pr fins de cálculo de τ sw, e dmitiu-se que n áre estudd mesm er constnte, conforme tem sido dotdo em outros estudos (Bstinssen, 1995; Morse et l., 21; Allen et l., 22, Silv et l., 22). Pr escolhe-se o vlor,3, por não se dispor de informções que possibilitssem escolh mis precis. - Índice de Vegetção d Diferenç Normlizd (NDVI) Foi obtido trvés d rzão entre diferenç ds refletividdes do IV-próximo (ρ4) e do vermelho (ρ3) e som ds mesms (Allen et l., 22), definid pel Equção (7): NDVI = (r p4 r p3 ) / (r p3 + r p4 ) (7) em que: r p3 e r p4 correspondem às refletâncis ds bnds 3 e 4 do Lnst 5 TM. - Índice de áre folir (IAF) Foi utilizdo expressão empíric obtid por Allen et l. (22), definid pel Equção 8: ln IAF =,69 SAVI,59,91 - Índice de vegetção com juste do solo (SAVI) - Proposto por Huete (1988), e clculdo segundo Equção 9: (1 + L)(rp3 rp4 ) SAVI = (9) (L + r + r ) p3 p4 onde L é um ftor gerlmente tomdo igul,1. - Emissividde terml (ε NB ) Foi considerdo pr porção do espectro eletromgnético (nrrow bnd - 1,4 µm 12,5 µm). Pr tnto, utilizou-se d expressão desenvolvid por Allen et l. (22), em função do IAF, dd pel Equção 1: ε NB =,97 +,33 x IAF (1) em que: índice de áre folir (IAF), foi obtido com bse ns imgens gerds nos cnis 3 e 4 do Lndst 5 TM, e equção é válid pr IAF < 3,. Pr vlores do IAF > 3,, considerou-se ε nb =,98 (Allen et l., 22). 7 (5) (6) (8) 134

5 - Emissividde rditiv (ε o ) Foi definid como emissão rditiv de cd pixel, foi obtid segundo Equção 11 propost por Allen et l. (22): ε o =,95 +,1 x IAF (11) em que: função é definid pr IAF < 3,, cso contrário, ssumiu-se ε o =,98, procedimento usdo por Morse et l. (21) e Allen et l. (22). - Tempertur d superfície T s (K) Foi definid prtir do mp de rdiânci espectrl d bnd terml (cnl 6 do Lndst 5 TM), e d crt com emissividde d bnd terml, segundo o modelo proposto por Mrkhm & Brker (1986), utilizdo em vários estudos (Bstinssen, 1995; Morse et l., 21; Allen et l., 22, Silv et l., 22), definid pel Equção 12: K T = 2 s ε K ln nb Lλ, em que K 1 = 67,76 W m -2 sr -1 µm -1, K 2 = 126,56 W m -2 sr -1 µm -1, L λ,6 é rdiânci espectrl d bnd 6, ε nb é emissividde de cd pixel n porção d bnd terml do Lndst 5 TM. - Rdição de ond long emitid (R L ) - Foi clculd segundo (Bstinssen, 1995; Morse et l., 21; Allen et l., 22), pel Equção 13: R = ε x σ T L 4 S em que ε o e T s representm emissividde e tempertur de cd pixel d imgem, e σ é constnte de Stefn Boltzmnn (5,67x1-8 W m -2 K -4 ). - Rdição de ond curt incidente ( R S ) - Foi clculd prtir d Equção 14, propost por (Bstinssen, 1995; Allen et l., 22; Morse et l., 21; Silv et l., 22): R = G θ d τ SC cos S r sw (14) em que G sc é constnte solr (1367 W m -2 ), Z é o ângulo zenitl solr, que é fornecido pelo cbeçlho d imgem, d r é o inverso do qudrdo d distânci reltiv Terr-Sol, e τ sw é trnsmitânci tmosféric. - Rdição de Ond Long Incidente (R L ) - Foi obtid segundo expressão (Bstinssen, 1995; Morse et l., 21; Allen et l., 22), definid pel Equção 15: R = ε σ T L 4 em que ε é emissividde tmosféric, clculd por: ( ). 265 ε = 1.8 lnτ sw, (Bstinssen, 1995), σ é constnte de Stefn Boltzmnn e T é tempertur médi do r, tomd igul 34 (Kelvin). - Blnço de Rdição à Superfície (R n ) - Foi utilizd pr o cômputo do sldo de rdição superfície seguinte expressão propost por (Bstinssen, 1995; Morse et l., 21; Allen et l., 22; Silv et l., 22), dd pel Equção 16: ( r ) + R R ( 1 ) R L L Rn R 1 ε (16) = S L em que R S é rdição de onds curts incidente em cd pixel (dmitid constnte em tod áre), r é o lbedo de cd pixel corrigido, R é rdição de onds longs emitid pel tmosfer n L direção do pixel (tmbém ssumid constnte pr todos os pixels d imgem), R é rdição de L onds longs emitid por cd pixel e ε é emissividde de cd pixel d cen estudd. (12) (13) (15) 135

6 3. Resultdos e Discussão A Figur 2 exibe distribuição espcil d tempertur d superfície, mostrndo os vlores no di 13 de junho de 1987 Figur (2) e 6 de junho de 28 (2b). Foi observdo que estes vlores mntiverm-se prticmente inlterdos durnte decorrer do período estuddo, porem foi observd um pequen tendênci de umento, que pode ser justificdo pel mudnç n cobertur d superfície, os miores vlores se concentrm ns áres com mior exposição de solo, principlmente n região mis degrdd do município de Gilbués, os menores registros form encontrdos ns regiões com mior presenç de águ e de vegetção do tipo rbustiv, loclizd n prte mis leste d áre. Figur 2. Crt d tempertur d superfície ( C) pr áre de estudo, no di 13 de junho de 1987 () e 6 de junho de 28 (b). N Figur 3 estão representdos os histogrms de freqüênci do Índice de Vegetção d Diferenç Normlizd (NDVI), no di 13 de junho de 1987 (Figur 3), o NDVI médio de tod cen estudd foi de,44, enqunto que no di 6 de junho de 28 (Figur 3b) foi de,46. De modo gerl os histogrms exibem que o NDVI d cen estudd em 28 foi ligeirmente mior que em 1987, o que pode estr ssocido à presenç de um mior rmzenmento de águ no solo, como tmbém de um époc chuvos mis intens, fzendo com que respost d vegetção sej mis representtiv n áre estudd. () 16 (b) 16 Número de pixels (resolução 3x3m) Número de pixels (resolução 3x3m) ,,5,1,15,2,25,3,35,39,44,49,54,59,64,69,74,79 Índice de Vegetção por Diferenç Normlizd (NDVI),,6,11,17,22,27,33,38,43,49,54,6,65,7,76 Índice de Vegetção por Diferenç Normlizd (NDVI) Figur 3. Histogrm do Índice de Vegetção d Diferenç Normlizd (NDVI) pr áre de estudo, no di 13 de junho de 1987 () e 6 de junho de 28 (b). As Figurs 4 e 5 exibem os histogrms de freqüênci do sldo de rdição, mbos presentm os miores vlores ssocidos à concentrção de pontos o redor d mod, tis vlores estão ssocidos superfícies de vegetção rbustiv e de águ. No di 13 de junho de 1987 (Figur 4), o Rn médio de tod cen estudd foi de 489,5 Wm -2, enqunto que no di 6 de junho de 28 (Figur 5) foi de 558,7 Wm -2. De modo gerl os histogrms exibem que o Rn d cen estudd em 28 foi ligeirmente mior que em 1987, o que pode estr 136

7 ssocido à ocorrênci de chuv em dis próximos à pssgem do Lndst n áre estudd. Como conseqüênci, o NDVI e tempertur d superfície em 1987 form inferiores os observdos em Número de pixels (resolução 3x3m) ,8 319,6 347,4 375,2 43, 43,8 458,6 486,4 514,2 542, 569,8 Sldo de rdição à superfície (Wm -2 ) Figur 4. Histogrm do sldo de rdição à superfície pr áre de estudo, no di 13 de junho de Número de pixels (resolução 3x3m) ,9 38,8 48,8 436,7 464,6 492,5 52,4 548,3 576,2 64,2 632,1 66, Sldo de rdição à superfície (Wm -2 ) Figur 5. Histogrm do sldo de rdição à superfície pr áre de estudo no di 6 de junho de 28. Podemos então inferir que rdição de ond long (Tbel 2) em 28 foi mior que em 1987, o que está de cordo com nálises nteriores. Bstinssen (1998) obteve Rn vrindo de 4 Wm -2, em deserto, pr 5 Wm -2, em oásis. Dubyh (1992) obteve Rn com correção de modelo de elevção digitl igul 654 Wm -2, e Rn não corrigido de 643 Wm -2, vlores mis próximos os do presente estudo e os de Bstinssen (1998). Tbel 2. Esttístic dos vlores rdição de ond long (Wm -2 ) encontrdos no estudo. Di Mínimo Máximo Médi Mod 16/6/ ,5 48 6/6/28 24,6 528,7 473,5 472,6 137

8 4. Conclusões A técnic do blnço de rdição com imgens de stélite propiciou o cômputo dos vlores ds componentes do blnço de rdição sobre: áres degrdds, solo descoberto e superfície livre de águ, n região de Gilbués, o sldo de rdição (Rn) de modo gerel, em 1987, que tingiu médi de tempo de pssgem do stélite igul 489,5 Wm -2, foi inferior à verificd em 28, com médi de 558,7 Wm -2. Referêncis Bibliográfics Allen, R., Tsumi, M. & Trezz, R. Sebl (Surfce Energy Blnce Algorithms for Lnd) Advnced Trining nd Users Mnul Idho Implementtion, version 1., 22. Bstinssen, W. G. M. Regionliztion of Surfce Flux Densities nd Moisture Indictors in Composite Terrin A Remote Sensing Approch Under Cler Skies in Mediterrnen Climtes. Thessis, Lndbouwuniversiteit Wgeningen, Netherlnds, 273, Bstinssen, W. G. M.; Menenti, M.; Feddes, R. A. & Holtslg, A. A. M. A. Remote Sensing Surfce Energy Blnce Algorithm for Lnd (SEBAL) 1. Formultion. Journl of Hydrology, v , p , Bstinssen, W. G. M. SEBAL - Bsed sensible nd ltent het fluxes in the irrigted Gediz Bsin, Turkey. Journl of Hydrology, v. 229, p. 87-1, 2. Boegh, E., Soegrd, H.; Thomsen, A. Evluting evpotrnspirtion rtes nd surfce conditions using Lndst TM to estimte tmospheric resistnce nd surfce resistnce. Remote Sensing of Environment, 79: , 22. Dubyh, R. Estimting Net Solr Rdition using Lndst TM nd Digitl Elevtion dt Wter Resources Reserch, 28 (): , Grnger, R.J. Stellite-derived estimtes of evpotrnspirtion in the Gediz bsin. Journl of Hydrology, v. 229,p. 7-76, 2. Jcomine, P.K.T. Levntmento explortório e reconhecimento de solos do Estdo do Piuí. Rio de Jneiro. EMBRAPA-SNLCS/SUDENE-DRN p. Huete, A. R. Adjusting vegettion indices for soil influences. Interntionl Agrophysics. v.4, n.4, p , Hucek, R.; Jcobowitz, H. Impct of scene dependence on AVHRR lbedo models. Journl of Atmospheric nd Ocenic Technology, 12: , Mrkhm, B. L. & Brker, J. L. Themtic mpper bnd pss solr exotmosphericl irrdinces. Interntionl Journl of Remote Sensing, v. 8, n. 3, p , Ling, S. Nrrowbnd to brodbnd conversions of lnd surfce lbedo I Algorithms. Remote Sensing of Environment, 76: , 22. Morse, A., Allen, R. G., Tsumi, M., Krmber, W. J., Trezz, R. Wright, J. Appliction of the SEBAL Methodology for Estimting Evpotrnspirtion nd Consumptive Use of Wter Through Remote Sensing. Finl Report, 22 p, 21. Silv, B. B., Feitos, J. R., Mour, S. B., Glvincio, J. D.; Cost, F. J. F. Blnço de rdição no Perímetro irrigdo Sendor Nilo Coelho utilizndo técnics de sensorimento remoto e imgens Lndst 5-TM. CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA XII, 22 Foz do Iguçu. Anis..., Sociedde Brsileir de Meteorologi, 22, CD-ROM. 138