MONITORAMENTO ESPAÇO-TEMPORAL DE ÍNDICES ESPECTRAIS DE VEGETAÇÃO PARA A BACIA DO RIO GRAMAME-PB

MONITORAMENTO ESPAÇO-TEMPORAL DE ÍNDICES ESPECTRAIS DE VEGETAÇÃO PARA A BACIA DO RIO GRAMAME-PB Alexandro Medeiros Silva 1 *; Nádja Melo de Oliveira 2 ; Bernardo Starling Dorta do Amaral 3 ; Richarde Marques da Silva 4 Resumo Com o mapeamento dos parâmetros biofísicos de uma bacia hidrográfica é possível detectar alterações dos recursos naturais e do uso e ocupação do solo. Nesse sentido, este trabalho tem como objetivo mapear os parâmetros biofísicos (IVDN, IVAS, IAF, temperatura de superfície) da bacia hidrográfica do Rio Gramame, visando identificar alterações na paisagem e no comportamento dos parâmetros biofísicos, utilizando imagens orbitais do TM/Landsat-5 e do ETM+/Landsat-7, para os dias 10/07/1989 e 04/08/2001, respectivamente. Os resultados mostraram que houve variação entre os índices de vegetação e a temperatura de superfície. Para os valores médios de IVDN, IVAS e IAF, identificou-se uma variação nas duas imagens de -43,75%, -38,46% e -64,94%, respectivamente. Já a temperatura média da superfície da bacia, apresentou um aumento de 10 C entre as duas datas analisadas. De maneira geral, a técnica de estimativa dos parâmetros biofísicos se mostrou eficiente para a aplicação em grandes áreas, e os resultados indicam que houve um processo de modificação da paisagem da bacia, tendo em vista, a diminuição dos índices de vegetação e o aumento da temperatura média da superfície entre as duas imagens. Palavras-Chave Parâmetros biofísicos, Bacia hidrográfica, Sensoriamento remoto. SPATIAL-TEMPORAL MONITORING OF SPECTRAL VEGETATION INDEXES FOR GRAMAME RIVER BASIN Abstract With the mapping of biophysical parameters of a watershed can detect changes of natural resources and land use and occupation. This work aims to map the biophysical parameters (NDVI, SAVI, LAI, surface temperature) for Gramame River basin, to identify changes in the landscape and in the behavior of biophysical parameters estimated using orbital images TM/Landsat- 5 and ETM +/Landsat-7 for the day 10/07/1989 and 04/08/2001, respectively. The results showed variation among the vegetation index and surface temperature. For the average values of NDVI, SAVI and LAI, we identified a variation in both -43.75% images, -38.46% and - 64.94%, respectively. However, the temperature of the surface of the basin, showed an increase of 10 C between the two dates analyzed. Overall, the biophysical parameter estimation technique proved efficient for use in large areas, and the results indicate that there was a modification process of the basin landscape, in order to decrease the vegetation indexes and increased average surface temperature between the two images. Keywords Biophysical parameters, Watershed, Remote sensing. 1 Bolsista CAPES. Aluno de mestrado em Geografia, PPGG/UFPB, medeiros_alexandro@hotmail.com; 2 Bolsista de Iniciação Científica do PIBIC/CNPq. Aluna do Curso de Geografia, UFPB, nadjamellolivergeo@hotmail.com; 3 Voluntário de Iniciação Científica PIVIC/CNPq. Aluno do Curso de Geografia, UFPB, bernardostarling_@hotmail.com; 4 Professor Adjunto III, UFPB, CCEN, Departamento de Geociências, richarde@geociencias.ufpb.br XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

INTRODUÇÃO Com o mapeamento dos parâmetros biofísicos de uma bacia hidrográfica é possível detectar alterações naturais e antrópicas na paisagem, bem como, ajudar a estabelecer condições para sustentáveis de uso e ocupação do solo (Oliveira et al., 2012). Com isso, as estimativas de parâmetros biofísicos são cada vez mais necessárias à medida que as mudanças climáticas e intervenções antrópicas tornam-se mais severas, dando suporte ao planejamento dos recursos naturais, evitando-se agressões à natureza (Teixeira, 2010). Técnicas de sensoriamento remoto vêm sendo utilizadas para o mapeamento de alteração do uso e ocupação no solo e dos parâmetros biofísicos em bacias hidrográficas (Cunha et al., 2012; Oliveira et al., 2012; Silva et al., 2014; Silva e Silva, 2015). Dentre os diversos sensores disponíveis com diferentes resoluções espaciais e temporais, são os sensores TM/Landsat e ETM/Landsat amplamente utilizados para as estimativas dos parâmetros biofísicos. Para Oliveira et al. (2012) a temperatura de superfície por está envolvida no balanço de energia e na evapotranspiração, torna-se adequada para indicar degradação terrestre e mudança climática, já os índices de vegetação IVDN e IVAS são importantes indicadores de modificações no uso e ocupação do solo. Estudos sobre a bacia hidrográfica do Rio Gramame, possui grande relevância, por ela ser a responsável pelo abastecimento da região metropolitana de João Pessoa, que compreende os municípios de João Pessoa, Cabedelo, Bayeux, Santa Rita, e as cidades de Pedras de Fogo e Conde, e por possuir o maior reservatório fluvial do litoral paraibano, o reservatório Mamuaba-Gramame, e também se caracteriza por ser uma bacia com uma grande quantidade de uso do solo (Silva et al., 2002). Com base no exposto, este trabalho tem como objetivo mapear índices espectrais de vegetação e temperatura do solo para a bacia do Rio Gramame, visando identificar alterações na paisagem e no comportamento dos parâmetros biofísicos. MATERIAIS E MÉTODOS A bacia hidrográfica do Rio Gramame está localizada no litoral Sul do Estado da Paraíba, mais precisamente entre as latitudes 7 11 e 7 23 Sul e as longitudes 34 48 e 35 10 Oeste, (Figura 1). Essa bacia possui uma área de 589, 1 km² que compreende os municípios de João Pessoa, Santa Rita, Conde, Cruz do Espirito Santo, São Miguel do Taipu, Pedras de Fogo e Alhandra. Segundo a classificação climática de Köeppen, a bacia possui dois tipos climáticos, o Aw i (região litorânea) e BSw h (porção ocidental da bacia). A classe Aw i caracteriza-se por ser um clima tropical úmido com estação seca no outono, e BSw h indica clima seco do tipo estepe. A precipitação média anual é de 1.800 mm e a evaporação média anual é de 1600 mm, com alto gradiente de precipitação no sentido leste oeste, onde as áreas mais próximas do oceanos são as mais chuvosas (Câmara, 2003). Para este estudo foram obtidas imagens orbitais do sensor/satélite TM/Landsat-5 e sensor/satélite ETM/Landsat-7, para os dias 10/07/1989 e 04/08/2001, respectivamente, com órbita e ponto 214/65 em formato TIFF, no catálogo de imagens do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

Figura 1 Localização da bacia hidrográfica do rio Gramame no Estado da Paraíba. Inicialmente foram calculadas as reflectâncias espectrais para cada banda das imagens utilizadas, conforme a equação 1. ρ π.l λi λi (1) k λi.cosz.d r sendo qual L λi é a radiância espectral de cada banda, k λi é a irradiância solar espectral de cada banda no topo da atmosfera (W/m²/ m), Z é o ângulo zenital solar e d r é o quadrado da razão entre a distância média Terra-Sol e a distância Terra-Sol (r) em dado dia do ano, calculado de acordo com Iqbal (1983). Para o monitoramento espaço-temporal dos índices espectrais de vegetação, foram utilizados o Índice de vegetação por diferença normalizada (IVDN), Índice de vegetação ajustado ao solo (IVAS) e o Índice de área foliar (IAF). O IVDN é um indicador sensível da quantidade e da condição da vegetação verde. Seus valores variam de 1 a 1, para superfícies com alguma vegetação o IVDN varia de 0 e 1, já para a água e nuvens o IVDN geralmente é menor que zero. O IVDN é obtido através da razão entre a diferença das refletividades do IV-próximo ( ρ IV) e do vermelho ( ρ V ), pela soma das mesmas (Equação 1). NDVI ρ ρ IV V (1) IV ρ ρ V sendo ρ IV e ρ V correspondem, respectivamente, as refletâncias bandas 4 e 3 do Landsat 5 TM e o Landsat 7 ETM. Para a estimativa do IVAS que é um índice que busca amenizar os efeitos do solo foi utilizada a equação proposta por Huete (1988): (1 L)(ρ IV ρv) SAVI (2) (L ρ ρ ) IV V XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

sendo o fator L é uma função do tipo de solo, utilizamos L = 0,1. O IAF é definido pela razão entre a área foliar de toda a vegetação por unidade de área utilizada por essa vegetação. O IAF é um indicador da biomassa de cada pixel da imagem e o mesmo foi computado pela equação 3 obtida (Allen et al., 2002). 0,69 SAVI ln 0,59 IAF (3) 0,91 Posteriormente, a temperatura da superfície ( T s ) foi calculada utilizando a radiância espectral da banda termal L λ,6 e a emissividade termal Ɛ NB. Dessa forma, obtém-se a temperatura da superfície ( K) pela equação 4. K 2 Ts (4) ε NBK1 ln 1 L λ,6 sendo K 1 = 607,76 W/m²/sr/µm e K 2 = 1260,56 K são constantes de calibração da banda termal do Landsat 5 TM (Allen et al., 2002). Para o Landsat 7, K 1 = 666,09 W/m²/sr/µm, e K 2 = 1282,71 K. RESULTADOS Os resultados obtidos na estimativa do IVDN para as duas datas estudadas, mostram que na imagem de 04/08/2001 os valores de IVDN foram menores em relação à imagem de 10/07/1989, como pode ser verificado na Figura 3a 3b. Para a imagem de 10/07/1989 (Figura 3a) foram identificados valores de IVDN entre -0,78 e 0,80, com média de 0,64. Já na imagem de 04/08/2001 (Figura 3b), os valores de IVDN variaram de -0,55 a 0,74, com valor médio igual a 0,36. Figura 3 Estimativa do IVDN na bacia do rio Gramame para as datas: (a) 10/07/1989 e (b) 04/08/2001. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

Numero de pixels Numero de pixels Apesar da diminuição dos valores de IVDN entre as duas cenas, observou-se que em ambas as imagens as áreas que apresentam os maiores valores de IVDN são encontradas bem distribuídas em toda a bacia, mas aparecem com maior destaque na região nordeste e leste da mesma. A Figura 4 apresenta o histograma das imagens de IVDN, verifica-se que em 10/07/1989 a maior parte da bacia apresentava valores de IVDN entre 0,55 e 0,8, enquanto em 04/08/2001 predominou os valores de 0,25 a 0,55. A variação da magnitude da queda do valor médio de IVDN nas formações vegetais responde a diferentes fatores que correspondem às particularidades fenológicos de cada tipo de cobertura vegetal, às condições e umedecimento da paisagem, à capacidade de absorção de água no solo, à irrigação das culturas e do volume de água precipitado. 400000 300000 200000 100000 10/7/1989 4/8/2001 0-0,8-0 0-0,25 0,25-0,4 0,4-0,55 0,55-0,7 0,7-0,8 Classes Figura 4 Histograma das imagens de IVDN na bacia do rio Gramame. Com base na Figura 5 pode-se verificar que em 10/07/1989 a maior parte da bacia apresentava valores de IVAS entre 0,4 e 0,7, enquanto em 04/08/2001 a bacia possuía predominantemente áreas com IVAS de 0,25 a 0,55. As Figuras 6a 6b mostram as estimativas do IVAS para a bacia do Rio Gramame. Assim como no IVDN, verificou-se também uma diminuição dos valores de IVAS entre as duas cenas analisadas, e que a distribuição espacial dos maiores e menores valores de IVAS também são similares aos do IVDN. Na imagem de 10/07/1989 (Figura 6a) a estimativa do IVAS variou entre -0,32 e 0,80, com média de 0,52. Enquanto a imagem de 04/08/2001 (Figura 6b) foram identificados valores do IVAS de -0,30 a 0,70, com valor médio de 0,32. Isso mostra um aumento na fragmentação e/ou degradação da cobertura vegetal, em detrimento das alterações no uso e ocupação do solo, que pode trazer sérios impactos para a qualidade ambiental da bacia. 400000 300000 200000 100000 0-0,8-0 0-0,25 0,25-0,4 0,4-0,55 0,55-0,7 0,7-0,8 Classes Figura 5 Histograma das imagens de IVAS na bacia do Rio Gramame. 10/7/1989 4/8/2001 As estimativas do IAF mostram que na imagem de 10/07/1989 (Figura 7a) houve o predomínio de valores superiores 1,5, com algumas áreas a leste e ao sul da bacia apresentando valores entre 4 e 8, para essa data a estimativa do IAF variou de 0 a 8 com 1,74 de média. Por outro lado, na Figura 7b identificou-se em grande parte da bacia valores de IAF inferiores a 1, que são as XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

Numero de pixels áreas em roxo, em 04/08/2001 os valores mínimos, máximos e médios de IAF foram de, 0, 6 e 0,61, respectivamente. Figura 5 Estimativa do IVAS na bacia do rio Gramame para as datas: (a) 10/07/1989 e (b) 04/08/2001. Analisando o histograma do IAF (Figura 8), verifica-se que em 10/07/1989 houve uma distribuição similar dos pixels entre as classes de 1 a 4, enquanto na imagem de 04/08/2001 a maioria dos pixels ficaram entre 0 e 1. As Figuras 9a 9b mostram a estimativa da temperatura de superfície (T s ) para a bacia. Este parâmetro está intimamente relacionado com a cobertura do solo, com isso, os resultados encontrados mostram um dos efeitos da diminuição dos índices de vegetação identificada na bacia entre as duas datas estudadas. Em 10/07/1989 (Figura 9a) praticamente toda a bacia apresentava T s entre 18 e 20 C, nessa imagem foram estimadas temperaturas entre 15 e 25,4 C, e a T s média da bacia foi de 18,98 C. Na figura 9b, na estimativa da T s para o dia 04/08/2001 foram identificadas temperaturas variando de 17,5 a 37,35 C e a T s média foi de 30,94 C, indicando um aumento de aproximadamente 10 C na temperatura média da superfície entre as duas imagens. 300000 200000 100000 0 0-0,5 0,5-1 1-1,5 1,5-2 2-4 4-8 Classes Figura 7 Histograma das imagens de IAF na bacia do rio Gramame. 10/7/1989 4/8/2001 XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

Figura 8 Estimativa do IAF na bacia do rio Gramame para as datas: (a) 10/07/1989 e (b) 04/08/2001. Figura 9 Estimativa da temperatura a superfície na bacia do Rio Gramame para as datas: (a) 10/07/1989 e (b) 04/08/2001. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

CONSIDERAÇÕES FINAIS As estimativas dos parâmetros biofísicos para bacias hidrográficas vêm se tornando ferramentas para a detecção das alterações no uso e ocupação do solo, bem como, indicadores de degradação ambiental, podendo servir de subsídio ao planejamento e gestão dos recursos hídricos. Neste estudo, observou-se que apesar das duas imagens utilizadas estarem em um mesmo período climático, houve uma considerável variação entre os índices de vegetação e a temperatura de superfície, indicando que houve alterações no uso e ocupação do solo da bacia entre as datas estudadas. Os resultados mostram que houve a diminuição dos valores médios de IVDN, IVAS e IAF, sendo de 43,75%, 38,46% e 64,94%, respectivamente. Já a temperatura média da superfície da bacia, apresentou um aumento de 10 C. De maneira geral, a técnica de estimativa dos parâmetros biofísicos se mostrou eficiente para a aplicação em grandes áreas e os resultados indicam que houve um processo de modificação da paisagem da bacia tendo em vista a diminuição dos índices de vegetação e o aumento da T s, processo esse que pode ter sido intensificado ou não, tornando-se necessárias novas aplicações com imagens mais recentes. REFERÊNCIAS ALLEN, R.G.; TASUMI, M.; TREZZA, R. (2002) SEBAL Surface Energy Balance Algorithms for Land, Advanced training and user s manual. Idaho: Implementation, 98p. CÂMARA, A. C. F. C. (2003). Análise da vazão máxima outorgável e da introdução simplificada da qualidade da água no processo de outorga da Bacia do Rio Gramame (PB). Dissertação (Mestrado). Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, pp. 219. CUNHA, J. E. B. L.; RUFINO, I. A. A.; SILVA, B. B.; CHAVES, L. B. (2012). Dinâmica da cobertura vegetal para a Bacia de São João do Rio do Peixe, PB, utilizando-se sensoriamento remoto. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental v.16, n.5, pp. 539-548. HUETE, A. R. (1988). A soil adjusted vegetation index SAVI. Remote Sensing of Environment, v. 25, n. 2, pp. 295-309. IQBAL, M. An Introduction to Solar Radiation. Academic Press, NY, 1983. OLIVEIRA, L. M. M.; MONTENEGRO, S. M. G.; ANTONINO, A. C. D.; SILBA, B; B.; MACHADO, C. C. C.; GALVÍNCIO, J. D. (2012). Análise quantitativa de parâmetros biofísicos de bacia hidrográfica obtidos por sensoriamento remoto. Pesq. agropec. Brasileira v.47 n. 9, pp. 1209-1217. SILVA, T. C.; SILANS, A. P.; PEDROSA FILHO, L. A.; PAIVA, A. E. D. B.; BOOCHS, M. B. P. (2002). Planejamento dos Recursos Hídricos na Bacia Hidrográfica do Rio Gramame, Uma Bacia Litorânea do Nordeste Brasileiro. Revista Brasileira de Recursos Hídricos v.7, n.4, pp. 121-134. SILVA, A. M.; SILVA, R. M. ; SILVA, B. B.(2014). Estimativa de parâmetros biofísicos em diferentes tipos de uso e ocupação do solo no semiárido paraibano. In Anais do XXVI Congresso Brasileiro de Cartografia, Gramado, 2014, 48-56. SILVA, A. M.; SILVA, R. M. (2015). Mapeamento de componentes do balanço de radiação em diferentes tipos de uso e ocupação do solo no semiárido paraibano. In Anais do XVII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, João Pessoa, 2015, pp. 3311-3318. TEXEIRA, A. H. C. (2010). Determinação da produção de biomassa e da evapotranspiração em larga escala na bacia do Submédio São Francisco. In Anais do Congresso Brasileiro de Meteorologia, Belém, 2010, pp.15-20. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8