USO DE IMAGENS DO LANDSAT 8 PARA DETERMINAÇÃO DA CORRELAÇÃO ENTRE A TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE E O ÍNDICE DE VEGETAÇÃO EM MUNICÍPIOS DA GRANDE VITÓRIA

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1 S B C Anis do XXVII Congresso Brsileiro de Crtogrfi e XXVI Exposicrt 6 9 de novembro de 2017, SBC, Rio de Jneiro - RJ, p USO DE IMAGENS DO LANDSAT 8 PARA DETERMINAÇÃO DA CORRELAÇÃO ENTRE A TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE E O ÍNDICE DE VEGETAÇÃO EM MUNICÍPIOS DA GRANDE VITÓRIA C.C. Col 1,2, B.B. Lopes 1, W. S. Bzn 1 1 Instituto Federl do Espírito Snto, Brsil 2 Universidde Federl do Espírito Snto, Brsil Comissão IV - Sensorimento Remoto, Fotogrmetri e Interpretção de Imgens RESUMO O presente trblho present os resultdos de um estudo feito pr vlir correlção existente entre Tempertur d Superfície Terrestre (TST) e presenç de cobertur vegetl, identificd por meio do uso do Índice de Vegetção por Diferenç Normlizd (NDVI), do inglês Normlized Difference Vegettion Index. Pr tnto, form utilizds s imgens do stélite LANDSAT 8 (L8), mis especificmente, s bnds espectris 4, 5 e 10, cujo imgemento dt do di 27/07/2016. Ests bnds representm, respectivmente, s bnds do vermelho (0,64 0,67 µm), infrvermelho próximo (0,85 0,88 µm) e infrvermelho terml (10,60 11,19 µm). A áre de estudo compreendeu os municípios de Vitóri, Vil Velh e Serr, estdo do Espírito Snto, com um buffer de 10 km em torno dos seus limites políticos, incluindo, portnto, prte dos municípios vizinhos, lém de um fix mrítim. No que tnge qulidde de vid d populção, os ftores tempertur d superfície terrestre e presenç de vegetção devem ser considerdos conjuntmente, um vez que o conhecimento sobre possível correlção entre ests dus vriáveis se torn prepondernte pr tomd de decisões visndo o bem-estr d populção. A nálise do gráfico de dispersão entre os vlores mostris de TST e NDVI mostrou que o comportmento d linh de tendênci foi melhor representdo por um polinômio de gru 3, cujo coeficiente de determinção R 2 foi de 0,73, indicndo um lt correlção entres os vlores de TST e NDVI. No que diz respeito os vlores ssocidos à presenç de vegetção de grnde porte (NDVI mior que 0,5), crcterizds por áres de vegetção ntiv preservd, como mts cilires, prques e reservs nturis, verificou-se que TST decresce n medid em que o NDVI ument representndo um redução de tempertur de proximdmente 4ºC. Plvrs-chve: Tempertur de Superfície Terrestre, Índice de Vegetção, Lndst 8, Bnd Terml, Sensorimento Remoto. ABSTRACT This pper presents the findings of the study for evluting the correltion between the Lnd Surfce Temperture (LST) nd the presence of vegettion cover, identified by the Normlized Difference Vegettion Index (NDVI). Therefore, the reserchers used imges from LANDSAT 8 (L8) stelite, specificlly, the spectrl bnds 4, 5 nd 10 were used, whose cpture dtes the September 27th of These bnds represent, respectively, the red bnd (0,64 0,67 µm), the ner infrred bnd (0,85 0,88 µm) nd the therml infrred bnd (10,60 11,19 µm). The studied re encompsses the following counties of the min metropolitn re of the stte of Espírito Snto: Vitóri, Vil Velh nd Serr, with 10 km buffer surrounding it s politicl limits, including, thus, prt of the neighboring counties nd lso se trck. Regrding the importnce of popultion s qulity life, both terrestril surfce temperture nd vegettion presence should be considered together, since the knowledge bout the possible correltion between these two vribles becomes prepondernt for decision towrds the well-being of the popultion. The nlysis of the sctter plot between the TST nd NDVI vlues showed tht the behvior of the trendline ws best represented by degree 3 polynomil, whose R-Squred ws 0.73, indicting high correltion between the vlues of TST nd NDVI. In reltion to the vlues ssocited with the presence of dense vegettion (NDVI greter thn 0.5), chrcterized by res of preserved ntive vegettion, such s riprin forests, prks nd nturl reserves, it ws verified tht the TST decreses ccording s the NDVI increses nd tht represents temperture reduction of pproximtely 4 C Keywords: Lnd Surfce Temperture, Normlized Difference Vegettion Index, Lndst 8, Therml Bnd, Remote Sensing. Sociedde Brsileir de Crtogrfi, Geodési, Fotogrmetri e Sensorimento Remoto, Rio de Jneiro, Nov/

2 1- INTRODUÇÃO O Sensorimento Remoto é um Ciênci que possibilit quisição de informções cerc d superfície terrestre sem necessidde de contto físico com os objetos e mteriis que compõe, propicindo o monitormento, medição e nálise de importntes crcterístics biofísics e tividdes humns n Terr (ELACHI, 1987; JENSEN, 2009). Associd o uso de ferrments de Processmento Digitl de Imgens (PDI) e Sistems de Informções Geográfics (SIG), est Ciênci permite, por exemplo, que sej estudd relção entre tempertur de superfície e presenç de vegetção em qulquer lugr d Terr, desde que hj disponibilidde de imgemento multiespectrl em bnds específics pr tl finlidde. A TST é bordd pelos estudos de Ayode (2011), trtndo-se de um indicdor físico que se refere o fluxo de clor resultnte do blnço entre rdição que cheg e que si de um determindo objeto, ou simplesmente tempertur que é sentid pels mãos qundo tocmos um superfície (RAJESHWARI, A.; MANI, N. D., 2014), podendo ser clculd em grus Celsius prtir ds bnds 10 e 11 oriunds do sensor TIRS (Therml Infrred Sensor) copldo o Lndst 8 (L8). Por su vez, o NDVI é um índice que normliz diferenç d vegetção e esclon seus níveis dentro do intervlo de -1 +1, podendo ser obtido prtir ds bnds 4 e 5, dquirids pelo sensor OLI (Opertionl Lnd Imger) do L8. Os vlores mis ltos deste índice pontm mior presenç de vegetção (ROUSE et l., 1974). No que tnge qulidde de vid d populção, os ftores TST e presenç de vegetção devem ser considerdos conjuntmente, um vez que o conhecimento sobre possível relção entre ests dus vriáveis se torn prepondernte pr tomd de decisões visndo o bem estr dos ciddãos. 2- ÁREA DE ESTUDO A áre de interesse foi determind pelos municípios de Vitóri, Vil Velh e Serr, com um buffer de 10 km prtindo de seus limites municipis. Estes três municípios, que integrm mior prte d áre estudd, somm cerc de 854 mil km² (IBGE, 2016), compondo prte d Região Metropolitn d Grnde Vitóri. Com o buffer, incluiu-se prtes de municípios vizinhos e um fix mrinh. 3- MATERIAIS E MÉTODOS A metodologi propost pr tendimento do escopo deste trblho compreendeu produção de mps de TST e NDVI d áre de estudo, ssim como um grde de pontos os quis form visulmente confrontdos e poidos pel nálise gráfic dos resultdos de um regressão não-liner, compnhd do cálculo do coeficiente de determinção (R²) entre s vriáveis. As equções pr cálculo d TST e do NDVI, prtir ds bnds do L8, form extríds de Znter (2016), dptds e fornecids ns seções 3.2 e 3.3. Pr produção dos mps em formto rster e interpolção dos ddos de TST e NDVI pr grde de pontos mostris, bem como todo o mbiente de visulizção dos ddos provierm do softwre livre Qgis Já nálise gráfic dos resultdos d regressão e o cálculo do R² entre os ddos form feitos prtir d plnilh do Microsoft Excel DADOS UTILIZADOS Pr quisição dos ddos de TST e NDVI utilizou-se um imgem do stélite L8 de órbit número 215 e ponto 74, cujo imgemento dt o di 27/07/2016 e horário centrl às 9:38 (horário de Brsíli). Esse progrm espcil é gerido pel USGS em prceri com NASA. O stélite L8 é composto por dois sistems sensores o TIRS e o OLI, conforme menciondo nteriormente. Com relção às bnds utilizds neste trblho, bnd 10 é imged pelo sensor TIRS e foi utilizd pr o cálculo d TST. Pr o cálculo do NDVI, utilizou-se ds bnds 4 e 5, imgeds pelo sensor OLI. Segundo Znter (2016), um problem de luz dispers dentrndo o cminho ótico do sensor fet performnce d bnd 11 o que torn ligeirmente for de especificção, invibilizndo utilizção conjunt desss dus bnds. Por este motivo, considerou-se somente o uso d bnd 10 pr determinção d TST. Originlmente, s imgens do L8 são disponibilizds no sistem de coordends UTM, dtum WGS 84, contudo, projetds pr o hemisfério norte mesmo pr o imgemento feito no hemisfério sul. Logo, no cso prticulr deste trblho s imgens form reprojetds pr o hemisfério sul, estndo referencids, portnto, o fuso 24s. Pr poir confrontção visul n etp de nálise dos resultdos, utilizou-se de um ortomosico produzido por erofotogrmetri digitl n áre de estudo, com resolução espcil de 25 cm TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE DA TERRA (TST) Os cálculos pr confecção do mp de TST prtir d bnd 10 se inicim pel trnsformção dos vlores digitis em rdiânci espectrl (L λ ): L M Q A L cl L (1) Sociedde Brsileir de Crtogrfi, Geodési, Fotogrmetri e Sensorimento Remoto, Rio de Jneiro, Nov/

3 L λ - Rdiânci espectrl; M L - Ftor esclr multiplictivo de rdiânci d bnd 10; Q cl - Vlor do pixel em número digitl; A L - Ftor esclr ditivo de rdiânci pr bnd 10. N sequênci, procede-se com o cálculo d tempertur em grus Celsius (T C ): K 2 T C 273,15 (2) K1 ln 1 L T C - Tempertur em C; K 1 e K 2 - Constntes de conversão térmic pr bnd 10; L λ - Rdiânci espectrl; ln - Logritmo neperino. A Figur 1 present o mp de TST, gerdo prtir do softwre Qgis trtr de um rzão (logo, relção é não-liner) os resultdos podem ser influencidos pel presenç de ruídos. A fim de se minimizr este inconveniente, o cálculo de NDVI foi relizdo com bse ns imgens convertids em reflectânci no topo d tmosfer (Reflct TA ), conforme segue: Re flect TA M P Qcl A P sen (3) Reflct TA - Reflectânci no topo d tmosfer; M P - Ftor multiplictivo d bnd; Q cl - Vlor do pixel em número digitl; A P - Ftor ditivo d bnd; θ - Ângulo de elevção solr. O cálculo do NDVI é ddo pel relção bixo: B5 Reflect B4 TA Reflect TA NDVI (4) B5 B4 Reflect TA Reflect TA B4 ReflectTA - Bnd 4 convertid em reflectânci no topo d tmosfer; B5 ReflectTA - Bnd 5 convertid em reflectânci no topo d tmosfer; A Figur 2 presnt o mp de NDVI. Fig. 1 Mp de TST gerdo pr áre de estudo ÍNDICE DE VEGETAÇÃO POR DIFERENÇA NORMALIZADA (NDVI) Segundo Jensen (2009), existe um desvntgem que deve ser considerd no cálculo de NDVI. Por se Fig. 2 Mp de NDVI gerdo pr áre de estudo. Sociedde Brsileir de Crtogrfi, Geodési, Fotogrmetri e Sensorimento Remoto, Rio de Jneiro, Nov/

4 4- ANÁLISES E DISCUSSÕES As seções 4.1 e 4.2 fornecem os insumos utilizdos ns nálises e discussões do resultdos lcnçdos por este estudo. Em um primeiro momento, vliou-se correlção entre os ddos de NDVI e TST com bse em um gráfico de dispersão prtir de grde de pontos mostris espçdos cd 500 metros. Tendo em vist que resolução espcil d bnd 10 é de 100 metros, em termos mostris, considerou-se suficientemente representtivo interpolr vlores de TST e NDVI cd 500 metros, ou sej, um mostr cd 5 pixeis. Num segundo momento, com bse n mostr de pontos em formto shpefile e su tbel de tributos contendo cmpos de NDVI e TST, dotou-se o softwre Qgis 2.18 pr relizção de consults por tributos e espcilizção ds mostrs em função de intervlos de TST e NDVI, de modo que s mostrs selecionds form sobresposts o ortomosico erofotogrmétrico pr consttção do tipo de lvo representdo por cd conjunto de mostrs GRÁFICO DE DISPERSÃO E REGRESSÃO NÃO-LINEAR Conforme menciondo, cd ponto d mostr resultou em um registro n tbel de tributos do shpefile e os vlores de NDVI e TST compuserm dois cmpos nest mesm tbel, qul foi exportd e utilizd pr plotgem do gráfico de dispersão dentro do mbiente do Microsoft Excel 2010 (Figur 3). melhor representou o comportmento não-liner d dispersão. Adicionlmente, pr medir correlção existente entre o NDVI e TST, utilizou-se do coeficiente de determinção (R²). O R² é ddo pel divisão entre vrição explicd e vrição totl, ou sej, ele determin qul porcentgem de Y (neste cso TST) é explicd por X (neste cso o NDVI). Se vrição totl dos ddos for não-explicd o quociente é igul 0, enqunto que se vrição totl for explicd o quociente é igul 1 (SPIEGEL, 1994). Em outrs plvrs, com bse no exposto, pode-se dizer que o quociente R 2 igul 0,73 (Figur 3) indic que n áre de estudo, 73% d TST é explicd pelo NDVI. 4.2 ESPACIALIZAÇÃO DAS AMOSTRAS EM FUNÇÃO DE INTERVALOS DE NDVI E TST A Tbel 1 present os 5 conjuntos de mostrs selecionds em função dos intervlos de NDVI e TST, bem como quntidde de mostrs com vlores dentro destes intervlos, lém do tipo de lvo representdo por cd conjunto. Estes intervlos form definidos proximdmente com bse nos pontos de inflexão e deflexão d linh de tendênci. TABELA 1 QUANTIDADE DE AMOSTRAS E TIPO DE ALVO EM FUNÇÃO DE INTERVALOS DE NDVI E TST. Conj. NDVI TST 1 () 2 (b) 3 (c) 4 (d) 5 (e) < -0,29-0,30-0,01 0 0,29 0,30 0,49 >= 0, Qtd. Amostrs 3162 Tipo de lvo Cnl d bí de Vitóri Mr 53 Águs rss Mnch Urbn Solo exposto Algdos Pstgem Vegetção de pequeno porte Vegetço de médio/grnde porte Pstgem Mngue Fig. 3 Gráfico de dispersão de pontos dos vlores de TST em função do NDVI. Pelo gráfico d Figur 3, observ-se que dispersão d mostr present um comportmento não-liner. Por este motivo, considerou-se o uso de um regressão não-liner pr justmento d linh de tendênci o conjunto de pontos mostris. O polinômio de ordem 3 foi o modelo mtemático que Pr ilustrr os resultdos d consult por tributos feitos com bse ns informções d Tbel 1, e consequentemente consttção do tipo de lvo representdos por cd um dos 5 conjuntos seleciondos, present-se s figurs seguir: Sociedde Brsileir de Crtogrfi, Geodési, Fotogrmetri e Sensorimento Remoto, Rio de Jneiro, Nov/

5 () (b) vegetção (NDVI > 0,5), pôde-se concluir, com bse ns nálises feits ns seções 4.1 e 4.2, que vlores de NDVI miores do que 0,5 estvm ssocidos mrjoritrimente à vegetção de médio e grnde porte, representndo principlmente segmentos de vegetção ntiv preservd, mts cilires, prques e reservs nturis. Com bse no gráfico de dispersão (Figur 3), linh de tendênci reltiv esse intervlo mostrou que TST decresce n medid em que o NDVI ument representndo um redução de tempertur de proximdmente 4ºC, o que impct diretmente n qulidde de vid e bem estr dos ciddãos n áre de estudo. (c) (d) AGRADECIMENTOS Os utores grdecem à Coordendori de Geomátic do Instituto Federl do Espírito Snto (Ifes), cmpus Vitóri. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS AYOADE, J. O., 2001 Introdução climtologi pr os trópicos, Bertrnd Brsil, Rio de Jneiro, 332 p. (e) Fig. 4 Tipo de lvo representdo pelos conjuntos: (), (b), (c), (d) e (e). Os dois primeiros conjuntos possuem vlores de NDVI negtivos e, portnto, constituem lvos em corpos d águ, neste cso o cnl d bí de Vitóri e o mr (Fig.4). Contudo, resslt-se que o o segundo conjunto mostrl representm corpos d águ rsos, mis especificmente às mrgens do cnl d bí de Vitóri (Fig.4b). Sobre os vlores positivos de NDVI (Tbel 1), o conjunto 3 represent áres de solo exposto, áres lgds e predominntemente áres urbns (Fig.4c). No que diz respeito o conjunto 4, qundo os vlores de NDVI pssm representr vegetção, os lvos destcdos são áres com vegetção de pequeno porte e vegetção em áres urbns limítrofes (Fig.4d), constituindo um trnsição entre os conjuntos 3 e 5. Já o último conjunto, portnto com os miores vlores de NDVI, evidenci lgums pequens áres de pstgens e mrjoritrimente vegetção de médio e grnde portes (Fig.4e). 5- CONCLUSÃO Com vists o objetivo principl deste trblho que é o de verificr correlção existente entre tempertur de superfície e presenç de ELACHI, C. 1987, Introduction to the Physics nd Techniques of Remote Sensing, New York, Wiley. Instituto Brsileiro de Geogrfi e Esttístic IBGE. Ciddes. Acesso em: 18 jul Disponível em < JENSEN, J. R. 2009, Sensorimento remoto do mbiente: um perspectiv em recursos nturis. São José dos Cmpos, SP: Prêntese. NOVO, E. M. L. de M., Sensorimento Remoto Princípios e Aplicções, Blucher, São Pulo, 387 págins. RAJESHWARI, A.; MANI, N. D., 2014, Estimtion of lnd surfce temperture of Dindigul district using Lndst 8 dt. Interntionl Journl of Reserch in Engineering nd Technology, v. 3, n. 5, p ROUSE JR, John W., Monitoring the vernl dvncement nd retrogrdtion (green wve effect) of nturl vegettion SPIEGEL, M. R., 1994, Esttístic, Mkron Books, São Pulo, 643 págins. ZANTER, K., 2016, Lndst 8 (l8) dt users hndbook. Sioux Flls, South Dkot, 98 p. Sociedde Brsileir de Crtogrfi, Geodési, Fotogrmetri e Sensorimento Remoto, Rio de Jneiro, Nov/