Estimativa do albedo da superfície para o município de Itaituba PA a partir de imagens TM Landsat 5 Francineide Amorim Costa Santos 1, Sonaly Duarte de Oliveira 2, Ana Nery Campos dos Santos 3, Bernardo Barbosa da Silva 4 1, 2, 3 Alunas de pós-graduação do Departamento de Ciências Atmosféricas, UFCG. Av. Aprígio Veloso, 882, Bairro Universitário. Campina Grande PB, Brasil. CEP: 58.429 140. E-mail: francyacs@hotmail.com; nalydu@hotmail.com; ananerycampos@hotmail.com. 4 Profº Drº: Unidade A. de Ciências Atmosféricas Universidade Federal de Campina Grande (UFCG). E-mail: bernardo@dca.ufcg.edu.br Resumo: O estudo do albedo é de grande importância, já que as mudanças entre a radiação e o ecossistema podem aumentar ou diminuir a reflexão da superfície, alterando a energia disponível para os processos físicos. Neste estudo, uma imagem Landsat 5 - TM foi utilizada, com o objetivo de determinar o albedo de superfície, conforme determinado pelo SEBAL, utilizando os métodos Allen, Idaho e Metric. A área escolhida abrange parte da cidade de Itaituba, no Pará. Os resultados evidenciam haver diferenças significativas no albedo, a depender da correção atmosférica que seja aplicada. Abstract: The study of the albedo is of great importance, since changes between the radiation and the ecosystem may increase or decrease the reflection from the surface, changing the energy available for physical processes. In this study, a Landsat 5 - TM image was used, with the objective of determining the surface albedo, as determined by the SEBAL, using the methods of Metric, Allen and Idaho. The study area covers part of of Itaituba city in Pará. The results show significant differences in albedo, depending on the atmospheric correction is applied. Palavras-chave: Idaho, Metric, Allen, transmissividade 1. Introdução Uma aplicação muito importante em sensoriamento remoto consiste na estimativa do saldo de radiação à superfície, principal fonte de energia a diversos processos naturais que ocorrem à superfície do nosso planeta. Para o seu cômputo necessita-se do albedo e da temperatura da superfície, elementos que podem ser obtidos através do algoritmo SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land) e de alguns dados coletados de uma estação meteorológica.o estudo do albedo é de grande importância, pois o seu monitoramento possibilita detectar mudanças que venham a ocorrer nos mais variados ecossistemas. Nesse sentido, o emprego de imagens de satélite se reveste de grande importância pela grande cobertura espacial que possui e dada a sua resolução temporal. O satélite Landsat 5 foi lançado em 01 de Março de 1984 e se encontra em órbita equatorial a 705 km de altitude. O sensor TM (Mapeador Temático) a bordo desse satélite faz o imageamento da superfície com tempo de revisita de 16 dias. Cada imagem gerada possui 185 Km de largura e resolução espacial de 30 metros, compreendendo 7 bandas espectrais. Neste estudo foi utilizada uma imagem TM - Landsat 5, com o objetivo da determinação do albedo à superfície, segundo critérios do SEBAL, utilizando três diferentes procedimentos de correção atmosférica. Em dois desses procedimentos foi adotada uma correção cobrindo todo o espectro da radiação solar. No terceiro deles, foi aplicada correção atmosférica em cada uma das seis bandas reflectivas do TM. Esses critérios foram
denominados respectivamente de métodos, Allen, Idaho e Metric. A área escolhida para o estudo abrange parte da cidade de Itaituba no Pará, localizada a uma latitude 04º16'34" sul e a uma longitude 55º59'01" oeste, e fica na margem esquerda do rio Tapajós. O clima da região se traduz como um clima de temperatura mínina superior a 18 C. As temperaturas médias máxima e mínima anuais são 32 e 22ºC, respectivamente. A precipitação média anual fica em torno de 1380 milímetros. Itaituba apresenta uma umidade relativa com valores acima dos 80% em quase todos os meses do ano. As estações chuvosas coincidem com os meses de dezembro a junho e as menos chuvosas nos meses de julho a novembro. 2. Material e Métodos A imagem TM-Landsat 5 empregada, foi obtida no site do INPE, referente ao dia três de julho de 2009, obtida às 13:43: 25 (TMG), na órbita 228 e ponto 63. Após descompactação das sete bandas espectrais, reamostragem da banda termal (banda 6) e empilhamento das sete bandas, realizou-se o recorte de parte da imagem, utilizando o programa Erdas. O recorte está centrado na estação automática de Itaituba-PA. Efetuado o recorte, foi feito o georreferenciamento utilizando a ferramenta AutoSync do ERDAS Imagine, a partir de uma imagem de referência já ortorretificada, obtida do site WWW.landsat.org. O principal objetivo desse processo é ajustar os pontos das imagens às coordenadas terrestres (latitude e longitude) reais da superfície. A etapa seguinte consiste em fazer a calibração radiométrica das bandas empilhadas, o que equivale a converter o número digital de cada pixel da imagem na radiância espectral de cada banda (L λi ). Essa radiância representa a energia solar refletida por cada pixel por unidade de área, de tempo, de ângulo sólido e de comprimento de onda, medida ao nível do satélite. A equação utilizada foi proposta por Markham e Baker (1987), qual seja: bi ai L, b ai ND 255 (1) onde: a e b são as radiâncias espectrais mínima e máxima (W m -2 sr -1 μm -1 ), detectadas pelo TM Landsat 5; ND é a intensidade do pixel (número inteiro compreendido entre 0 e 255) e i corresponde às bandas 1 a 7 do TM Landsat 5. Os coeficientes a e b foram utilizados segundo Chander & Markhem, (2003). O passo seguinte constituiu na estimativa da refletância monocromática de cada banda (ρ λb ) ao nível orbital, que é dado pela razão entre o fluxo de radiação solar refletido e o fluxo de radiação solar incidente, utilizando a equação (Bastiaanssen, 2000; Silva et al.,2005) L, b, b K cos Z d r (2) onde: L λb é a radiância espectral de cada banda; k λ é a irradiância solar espectral de cada banda no topo da atmosfera (W.m -2 μm -1 ), constantes obtidas em Chander & Markham, (2003); Z é o ângulo zenital solar, obtido no cabeçalho da imagem adquirida no site do INPE, e dr é o inverso do quadrado da distância relativa Terra-Sol, em unidades astronômicas, e foi obtido usando a equação de Iqbal: em que DSA é o dia de ordem do ano. Para o presente trabalho encontrou-se dr igual a 0,9670. (3)
O passo seguinte foi encontrar o albedo da superfície segundo os métodos de Allen, Idaho e Metric. O método de Allen, para o cômputo do albedo da superfície, fundamenta-se na equação desenvolvida por Bastiaanssen (2000): plan a b (4) em que α plan é o albedo não corrigido de cada pixel da imagem e é calculado segundo procedimentos descritos em Silva et al.2004: 0,2931 0,274 0,233 0,157 0,033 0, 011 plan 2 3 4 5 7 (5) a é a reflectância atmosférica, que no presente estudo foi considerada como 0,03 (Bastiaanssen, 2000; Silva et al.,2005); b é o quadrado da transmissividade atmosférica (τ sw ) obtida para condições de céu claro, segundo Allen et al. (2002): 5 sw 0.75 2 10 DEM (6) onde DEM é o modelo de elevação digital, obtido do site http://srtm.csi.cgiar.org, o qual representa a altitude de cada pixel da imagem. O albedo Idaho difere do albedo Allen apenas no cálculo da transmissividade atmosférica, para a qual adotou-se procedimentos segundo Trezza (2002), sendo necessárias medidas de pressão atmosférica, temperatura e umidade relativa do ar (que foram obtidas do site do INMET-estação convencional de Itaituba-82445), usadas na quantificação da água precipitável da atmosfera. A transmissividade atmosférica foi obtida de acordo com a seguinte expressão: em que KB é o índice de turbidez atmosférica para a radiação solar direta e KD é o índice de turbidez associada à radiação solar difusa, sendo obtidos pelas expressões: (7) O albedo segundo o Metric foi calculado considerando-se os efeitos da atmosfera na refletância monocromática banda a banda, que é, de acordo com Allen et al. (2007) dada pela expressão: (8) (9) em que ρ s,b é a refletância da superfície para a banda b; ρ t,b é a refletividade da banda b no topo da atmosfera; ρ a,b é refletância da atmosfera, calculada segundo Allen et al. (2007): (10) (11)
sendo, C b um parâmetro determinado para cada banda b do sensor, obtido de Allen et al. (2007); τ in e τ out são as transmissividades incidente e ascendente, respectivamente, sugeridas por Tasumi et al. (2007): (12) onde C1-C5 são os coeficientes para cada tipo de satélite, obtidos por modelo de tranferência radiativa e constantes em Allen et al. (2007); P é pressão atmosférica média em kpa (para o presente trabalho obtida do site INMET); k t é o coeficiente de turbidez da atmosfera, sendo k t =1 para céu claro e k t =0,5 para turbidez extrema (Allen 1996); é o ângulo nadir de visão do sensor, que para o caso do Landsat tem cos igual a 1; W é a água precipitável em mm, calculada de acordo com a equação proposta por Garrison e Adler (1990): (13) sendo a pressão de vapor próximo a superfície em kpa. O albedo da superfície segundo o Metric foi, então, encontrado segundo a expressão: (14) (15) onde os w b representam as contribuições da irradiância solar monocromática de cada banda do TM esperadas à superfície com código de transferência radiativa, dados por Allen et al. (2007); n é o número da banda correspondente e, obtido pela equação 10. 3. Resultados e Discussão A partir da análise das cartas de albedo geradas (Figuras 1, 2 e 3) pode-se observar que o albedo Idaho foi o que apresentou os maiores valores em todas as áreas do recorte selecionado, sendo seguido pelo albedo Allen. Nas circunstâncias do presente estudo apenas as seguintes condições extremas: área muito vegetada, solo exposto e água, foram utilizadas para fins de comparação dos valores obtidos com os diferentes procedimentos de cálculo do albedo. Sistematicamente o albedo Metric foi o que proporcionou os menores valores do albedo, chegando inclusive a valores próximos de zero. Essa situação evidencia que as formulações apresentadas por Allen et al. (2007) carecem de calibração para as condições atmosféricas da região selecionada para o presente estudo. Tabela 1: variações nos valores do albedo em diferentes tipos de cobertura Albedos Área Muito Vegetada Solo Exposto Água Metric 0,088 0,120 0,135 0,315 0.038-0,041 Allen 0,092 0,115 0,141 0,465 0,005 0,059 Idaho 0,097 0,120 0,146 0,492 0,08 0,062
4. Conclusão Os resultados evidenciam haver diferenças significativas no albedo, a depender da correção atmosférica que seja aplicada. Embora mais prático, o método Allen deve ser usado apenas quando da impossibilidade de emprego dos demais métodos, vez que a correção depende apenas da altitude e o mesmo ter sido recomendado para atmosfera com baixo conteúdo de vapor. 5. Referências Bibliográficas ALLEN, R.; BASTIAANSSEN, W.; WATERS, R.; TASUMI, M.; TREZZA, R. Surface energy balance algorithm for land (SEBAL), Idaho implementation - Advanced training and users manual, version 1.0, 2002. 97p. ALLEN, R.; TASUMI, M.; TREZZA, R. Satellite-based energy balance for mapping evapotranspiration with internalized calibration (METRIC) Model. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, Reston, v.133, n.395, p.380-394, 2007a. BASTIAANSSEN, W. G. M. SEBAL - Based sensible and latent heat fluxes in the irrigated Gediz Basin, Turkey. Journal of Hydrology, v.229, p.87-100, 2000. CHANDER, G.; MARKHAM, B. Revised Landsat-5 TM Radiometric Calibration Procedures ans Postcalibration Dynamic Ranges. IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING. v. 41. n. 11. P.2674-2677, 2003 MARKHAM, B. L. & BARKER, J. B. Thematic mapper band pass solar exoatmospherical irradiances. International Journal of Remote Sensing, v. 8, n. 3, p. 517-523, 1987. IQBAL, M. An Introduction to Solar Radiation. New York: Academic Press. 1983. 212p. OLIVEIRA, C. G. de Avaliação de Modelos Digitais de Elevação gerados a partir de sensores remotos orbitais óptico (Aster) e radar (Radarsat-1, SRTM: um estudo para a região da Serra dos Carajás (PA). 2005. 184 p. (INPE-13168-TDI/1027). TREZZA, R. Evapotranspiration using a satellite-based surface energy balance with standardized ground control. 247 f. Thesis (Doctor of Philosophy in Biological and Agricultural Engineering - Ph.D.). Utah State University, Logan, Utah, 2002.