Estimativa do saldo de radiação na cidade de Montes Claros/MG através de imagens do LANDSAT-5/TM Roberto Filgueiras 1 Cristina Rodrigues Nascimento 2 Gracielle de Brito Sales 1 Jonathan da Rocha Miranda 1 1 Graduandos em Eng. Agrícola e Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais/Instituto de Ciências Agrárias (UFMG/ICA) - Campus Regional de Montes Claros Avenida Universitária, 1.000 Bairro Universitário Montes Claros -MG Brasil CEP: 39.404-547E-mail: {robertofilgueiras.ufmg, jonathanrocha7}@yahoo.com.br;graciellesales@hotmail.com 2 Profa. Dra., Universidade Federal de Minas Gerais/Instituto de Ciências Agrária - UFMG/ICA, Montes Claros/MG, Brasil. E-mail: crisrodnas@gmail.com Abstract.The net radiationisa major componentof the energy balanceand representsthe energy availableinsurfaceheating processesrelated toairand soil, and is correlated withthe estimated evapotranspiration. The high costof field experimentsformeasuring this parameter, andthe difficultiesinmeasuring itto the surface, forces the search foralternative techniquesto complementthe meteorological dataavailablein order toassistfarmersindecision-making processes, especiallyin irrigated agriculture. In this context, the study aimedto estimate and spatializing net radiation through satellite imagery, to the city of MontesClaros, located in the North of Minas Gerais, on 21/09/2011. The images used were obtained from Landsat-5/TM stock images from National Institute for space research/inpe whose processing was performed in digital software ENVI4.7 and 5.2.1SPRING, including geometric corrections, radiometric and atmospheric. For the calculation of net radiation was calculated spectral radiance, reflectance, albedo at the top of the atmosphere, surface albedo, the index calculationsndvi, SAVIand LAI, surface emissivity, obtaining the surface temperature, estimation of long wave radiation up ward, downward shortwave and longwave radiation. The results indicate that for the city of Montes Claros, the net radiation showed an average value of 445.31Wm-2, with 87.95% of its pixels to valuesof326.06 Wm -2 to 655.589Wm -2. The values obtained are consistent with those found in the literature. Thus methodology becomes feasible to use additional information to areas where weather data are scarce, thereby supplying an important step to obtain evapotranspiration. Palavras-chave: digital processing, irrigation, remotesensing, evapotranspiration, processamento digital, irrigação, evapotranspiração. 1. Introdução A eficiência do uso da água deve ser priorizada através do monitoramento das perdasevaporativas e por drenagem profunda. Deste modo, a estimativa da evapotranspiração deáreas em escala regional, com base em imagens de satélite e algoritmos que permitem aconversão de medidas instantâneas em totais diários de evapotranspiração, representa uma grande contribuição para suprir a falta de dados em determinadas regiões. Um dado indispensável à utilização do sensoriamento remoto com tal finalidade, é o saldo de radiação (Rn), principal fonte de energia a ser repartida no aquecimento do solo, do ar e no processo de Evapotranspiração Lima et al. (2009).O saldo de radiação representa a energia disponível aos processos físicos e biológicos que ocorrem na superfície terrestre sendo definido como balanço de radiação de todos os fluxos radioativos que chegam e saem de uma superfície Ataide, (2007) apud. Kleinet al., (1977); Weligepolage, (2005), ou seja, à diferença entre os ganhos (fluxos descendentes) e asperdas (fluxos ascendentes) radiativas. Os ganhos estão representados pela radiação globale pela radiação infravermelha emitida da atmosfera para a 0648
superfície; as perdas são aradiação refletida e a emitida pela própria superfície terrestre. A transição da água líquida para a água na sua forma de vapor depende diretamente do saldo de radiação disponível à superfície, por esta razão o computo desse parâmetro é de suma importância tanto para a agricultura, quanto para a meteorologia. Visto a importância do conhecimento do saldo de radiação em superfície, este trabalho objetivou-se em estimar o saldo de radiação para o município de Montes Claros, localizado na região Norte de Minas Gerais. 2. Metodologia de Trabalho Foi estimado o saldo de radiação para a cidade de Montes Claros localizada no Norte de Minas Gerais (Figura1), limitadas pelas coordenadas geográficas: gráficas: Latitudes 16 34 19.03 S e 17 5 5.67 S, longitudes 43 39 54.11 W e 44 11 50.99 W para o dia 21/09/2012. Figura 1: Localização de Montes Claros no norte de Minas Gerais. Para obtenção do saldo de radiação utilizou-se as 7 bandas da imagemlandsat-5/tm da órbita 218 e ponto 72,, adquirida sob a condição de céu claro. Uma vez disponibilizados os dados referentes à imagem,, procedeu-se com os passos descritos a seguir,, para o computo do balanço de radiação. Utilizou-se para a obtenção deste parâmetro os softwares ENVI 4.7 e SPRING 5.2.1.Uma vez escolhida à área de estudo e processado o recorte, efetuou-se a calibração radiométrica, esse passo é o início efetivo do cálculo do balanço de radiação e consiste em conversão do Número Digital (ND) de cada pixel da imagem em radiância espectral monocromática. Esse parâmetro é obtido segundo a equação (1): (1) 0649
A equação 1 pode ser substituída pela equação 2, proposta por Markham e Baker (1987), uma vez que na descrição doproduto (imagem) não estão claramente explícitos os valores Lmáx e Lmin, sendo consideradaessa diferença como 255 e também, adotou-se os valores de a e b da Tabela 1. + + (2) em que ai e bi são as radiâncias espectrais mínima e máxima (Wm-2sr-1µm-1, Tabela 1), ND é a intensidade do pixel (número inteiro de 0 a 255) e i = 1a7, corresponde às bandas 1 a7, dolandsat-5/tm. Tabela 1. Coeficientes de calibração e irradiâncias espectrais no topo da atmosfera do satélite LANDSAT-5/TM utilizados na determinação da radiância. Bandas Comprimento de onda (µm) Coeficientes de calibração (wm -2 sr -1 µm -1 ) Irradiância espectral no topo da atmosfera (wm -2 µm - 1 ) a b 1 (azul) 0,45-0,52-1,5 152,1 1957 2 (verde) 0,52-0,60-2,8 296,8 1829 3 (vermelho) 0,63-0,69-1,2 204,3 1557 4 (IV próximo) 0,76-0,79-1,5 206,2 1047 5 (IV médio) 1,55-1,75-0,37 27,19 219,3 6 (IV termal) 10,4-12,5 1,238 15,303-7 (IV médio) 2,08-2,35-0,15 14,38 74,52 A refletância monocromática foi definida como a razão entre fluxo emergente da atmosfera e o fluxo incidente no seu topo, na região e banda espectral analisada; sendo computada a partir dos mapas de radiância espectral de cada banda, informações sobre o cos Z e irradiância espectral no topo da atmosfera (Tabela 1) para cada banda, estimou-se a refletância espectral planetária em cada banda, através da Equação (3) definida por Bastiaanssen, (1995): ᴫ..!".#$ (3) onde: : radiância espectral de cada banda (W.m -2 st-1 µm-1); Ké a irradiância solarespectral de cada banda no topo da atmosfera (W.m -2 µm-1, Tabela 1); Z o ângulo zenitalsolar (º) e dr é o quadrado da razão entre a distância média Terra-Sol em determinado dia do ano (DJ).Este último parâmetro (dr) é determinado, segundo Tasumi (2003). Já o ângulo zenital solar, foi obtido diretamente através do cabeçalho da imagem. O albedo planetário foi obtido com base na refletância das bandas (1, 2, 3, 4, 5 e 7), segundo procedimento utilizado por Bastiaanssen (1995), válido para dias de céu claro, sendo definido pela Equação (4): &' 0.293 1+ 0.274 2+ 0.233 3+ 0.157 4+ 0.033 5+ 0.011 7 (4) 0650
Onde: r1, r2, r3, r4, r5 e r7 são as refletâncias monocromáticas das bandas 1, 2, 3, 4, 5 e 7, respectivamente. Entretanto, considerando que a atmosfera terrestre produz interferência na radiação solar e naradiação refletida, o albedo calculado no topo da atmosfera carece de correções devidas aos processos de absorção e espalhamento. Essas correções podem ser obtidas pela equação (5) abaixo. 01 2 345² (5) Onde: a toa : albedo no topo da atmosfera; apé a radiação solar refletida pela atmosfera quevaria de 0.025 a 0.04,o valor tomado foi 0,03 de acordo com Bastiaanssen, (2000); t sw atransmissividade atmosférica. Após o cálculo do albedo da superfície, obtivemos os índices de vegetação (NDVI, SAVI e IAF) pelas equações 6, 7 e 8 respectivamente. NDVI ρ = ρ NIR NIR ρ + ρ RED RED (6) 789: ;<=>? >? =<>? >? (7) :8A BCD.EFGHIJK D.LF M.N; (8) Para o cálculo da emissividade termal, utilizou-se a expressão desenvolvida por Allen et al. (2002), em função do IAF, dada pela Equação (9): εnb 0,97 + 0,00331 IAF(9) Foi definida como a emissão radiativa de cada pixel, foiobtida segundo Equação 10 proposta por Allen et al. (2002): εo 0,95 + 0,01 IAF (10) As equações acima(eq.9 e Eq.10) são válidas para NDVI>0 e IAF<3. Para valores de IAF- 3,eNB = εo = 0,98. Para NDVI<0, enb = 0,99 e εo= 0,985,Allen et al. (2002). A temperatura da superfície (Ts) é obtida com base na radiância espectral da banda termal (6) e emissividade (εnb), obtida na etapa anterior. A expressão abaixo, equação 11 é usada para sua obtenção do parâmetro em Kelvin (K): WX Y Z [\].^_ `ab ]E <; (11) 0651
Onde: K1 e K2: constantes de calibração da banda termal do LANDSAT-5 Allen et al., (2002); K1 = 607,76 W.m-2 sr-1 µm-1 e K2 = 1260,56 K, Lλ,6 é a radiância espectral da banda6, εnb é a emissividade de cada pixel na porção da banda termal do LANDSAT-5. A Radiação de onda longa emitida (RL )Foi calculada segundo Bastiaanssen, (1995); Morseet al., (2001); Allen et al., (2002), pela Equação 12: RL = εo.σ. WX 4 (12) em que εo e Ts representam a emissividade e a temperatura de cada pixel da imagem, e σ é a constantede Stefan Boltzmann (5,67x10-8 W m-2 K-4). A radiação de onda curta incidente ( R s )foi considerada constante para toda àcena, efoi estimada segundo a equação 13 que Allen et al (2002), sugerem para condições de céu claro. Rs S. cos.z.dr.lxm² (13) Em que: S é a constante solar (1.367 W.m-2); Z é o ângulo zenital solar;dr é o quadrado da razão entre a distância média Terra-Sol em determinado dia do ano (DJ) e lxm é transmissividade atmosférica. A Radiação de onda longa incidente (RL )Esse parâmetro, assim como a radiação de onda curta incidente, foi considerado constante para toda à cena. Para seu cálculo utilizou a equação de Stefan Boltzmann, representada pela equação 14, abaixo: RL εo. σ. Τ 4 α (14) Onde: ea é a emissividade atmosférica obtida por ea = 0,85(-ln(tsw)) 0,09 ; s é a constante de Stefan-Boltzman (5,67 10-8 W.m-2K-4) e Ta a temperatura do ar (K). O saldo de radiação à superfície é obtido utilizando a equação 15, proposta por (Silva et al., 2005; Allen et al., 2002), abaixo: R n = R s - ar s + RL - RL (1-ε ο )R L (15) Onde: Rs é a radiação de onda curta incidente; a o albedo corrigido do pixel; RL a radiação deonda longa emitida pela atmosfera; RL a radiação de onda longa emitida pelo pixel; εo aemissividade do pixel. 3. Resultados e Discussão A Figura 2, gerada pelo processamento indica valores de saldo de radiação flutuando de 200 W.m - ² à 885 W.m - ². A média do saldo de radiação encontrado na imagem foi de 445,31 W.m - ². 0652
Figura 2: Saldo de radiação para a cidade de Montes Claros no dia 21/09/2012. A variabilidade de Rn sobre a área analisada pode ser vista na Figura 3, ficando evidente que a região apresenta uma boa variabilidade espacial do saldo de radiação na superfície do solo, uma vez que 87.95% % de todos os pixels da carta de Rn apresentam valores entre 326.06 W.m -2 e 655.58 W.m -2. Figura 3: Histograma correspondente ao saldo de radiação do dia 21/09/2012 para a cidade de Montes Claros. 0653
Os maiores valores de saldo de radiação encontrados na área em estudo foram identificados como sendo corpos de água (Lagoas, açudes, rios etc.) ou áreas com maiores teores de água em seu solo (> 640 W.m -2 ). Valores esses que estão de acordo com Oliveira (2009), que caracterizou valores maiores que 570 W.m -2 como sendo referente a corpos hídricos. Já os menores valores desse parâmetro foram encontrados em regiões de solo exposto eregiões pavimentadas situadas em área urbana, ou seja áreas que sofreram influência antrópica, resultados esses que também estão de acordo com Oliveira (2009).Os resultados em geral, estão de acordo com Lima et al. (2009),que obtiveram para a bacia do rio Paracatu, Rn com média de 542 Wm -2, para o dia 16 de setembro de 2007 e Gomes et al (2009), que obtiveram, para parte da bacia hidrográfica do rio Mogi-Guaçu (SP), valores de Rnvariando de 375,6Wm -2 a 731,3Wm -2, para área de cerrado e 315,3Wm -2 a 718,8 Wm -2, para área de canade açúcar. 4. Conclusões Os resultados obtidos por meio de aplicações do sensor TM a bordo do satélite LANDSAT-5 para obtenção do saldo de radiação, apesar de preliminares, estão de acordo com os resultados encontrados na literatura. Sendo assim, foi notório que as áreas com influências fluviais apresentaram destaque nos valores de saldo de radiação, visto que esses valores foram os mais elevados na área de estudo. Logo se constatou que a maior quantidade de água presente na superfície, fez com que ocorresse um aumento do computo do saldo de radiação. Já regiões com maiores graus de antropização apresentaram os menores valores de saldo de radiação encontrados na área de estudo. Portanto, visto que os resultados corroboraram com os encontrados na literatura, esse produto se torna alternativa viável, para o uso complementar de informações, para áreas onde dados meteorológicos são escassos. Suprindo assim, um importante passo para a obtenção da Evapotranspiração por meio de satélites. Agradecimentos A FAPEMIG (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais) pelofinanciamento da pesquisa. Referências Bibliográficas ATAÍDE, K. R. P. Determinação do Saldo de Radiação em Superfície com Produtos do Sensor MODIS. In: Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, 9.,2007, Florianópolis. Anais... Brasilia-DF, INPE, 2007. p.5569-5577. ALLEN, R.; TASUMI, M.; TREZZA, R.; WATERS, R.; BASTIAANSSEN, W. Surface energy balance algorithms for land. Idaho Department of Water Resources, 2002.97 p. BEZERRA, M. V. C. Balanço de energia em áreas irrigadas utilizando técnicas de sensoriamento remoto. 2004. 108 p. Dissertação (Mestrado em Meteorologia) - Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande. 2004 BASTIAANSSEN, W. G. M. Regionalization of Surface Flux Densities and Moisture Indicators in CompositeTerrain A Remote Sensing Approach under Clear Skies in Mediterranean Climates. Thesis, LandbouwuniversiteitWageningen, Netherlands, 273, 1995 BASTIAANSSEN, W. G. M. Regionalization of surface flux densities and moisture indicators in compositeterrain: A remote sensing approach under clear skies in Mediterranean climate. PhD. Dis., CIP Data KoninklijkeBiblioteheek, Den Haag, the Netherlands. 272 p., 1998. 0654
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