ANÁLISE COMPARATIVA DA TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE OBTIDA COM O AUXÍLIO DE IMAGENS ORBITAIS E TEMPERATURA MEDIDA NA CIDADE DE IGUATU-CE Eder Ramon Feitoza Lêdo 1 Joaquim Branco de Oliveira 2 Mairton Gomes da Silva 1 Efraim Martins Araújo 3 Eliakim Martins Araújo 3 AGRONOMIA RESUMO Este estudo objetivou analisar a temperatura estimada pelo algoritmo SEBAL para a superfície do solo e comparar com a temperatura do ar medida na estação meteorológica principal do Instituto Nacional de Meteorologia. A área em estudo compreende parte do município de Iguatu-CE, cuja localização é 6º 22 latitude Sul e 39º 18 longitude oeste. A temperatura foi estimada com o auxílio de imagens de satélite, Landsat 5 e 7, e foram processadas no software Idrisi, seguindo o algoritmo SEBAL. Observou-se que quando comparado a temperatura de superfície estimada pelo SEBAL com a temperatura máxima do ar registrada na estação meteorológica, a diferença media foi de 2,7ºC, mostrando confiabilidade, porém quando confrontada com a temperatura mínima,mostrou-se não confiável, seus resultados diferiram em média 9,1 C. Termos para indexação: Geoprocessamento, Landsat, SEBAL. 1 Aluno do Curso de Tecnologia em Irrigação e Drenagem do IFCE - Campus Iguatu; E-mail: eder_ramon@ hotmail.com; mairtong@hotmail.com 2 Prof. MSc. do IFCE - Campus Iguatu; E-mail: joaquimbrancodeoliveira@gmail.com 3 Centro de Ciências Agrárias, Departamento de Engenharia Agrícola, UFC, Campus do Pici, 60356-000, Fortaleza - CE; eliakim.araujo@bol.com.br; efraimirrigacao@gmail.com
Revista ACTA Tecnológica - Revista Científica - ISSN 1982-422X, Vol. 6, número 1, jan-jun. 2011 COMPARATIVE ANALYSIS OF THE SURFACE TEMPERATURE OBTAINED WITH THE AID OF ORBITAL IMAGES AND TEMPERATURE MEASURED IN THE CITY OF IGUATU-CE ABSTRACT The aim of the study was to analyse the temperature estimated by the alorithm SEBAL to the soil surface and compare it with the air temperature measured at the main meteorological station of the National Institute of Meteorology. The area under study comprises part of the town of Iguatu-CE, whose Location is 6 22 latitude South and 39 18'longitude west. The temperature was estimated with the aid of satellite images, Landsat 5 and 7, and were processed in Idrisi, following the algorithm SEBAL. It was observed that when the temperature of the surface estimated by the SEBAL is compared with the maximum air temperature recorded at the meteorological station, the average difference was 2.7 C, showing reliability, but when it is compared with the minimum temperature, it was shown to be unreliable; its results differed on average 9.1 C. Index terms: Geoprocessing, Landsat, SEBAL. 74
ANÁLISE COMPARATIVA DA TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE OBTIDA COM O AUXÍLIO DE IMAGENS ORBITAIS E TEMPERATURA MEDIDA NA CIDADE DE IGUATU-CE INTRODUÇÃO O clima é um fator de suma importância para diversas atividades humanas. O conhecimento dele poderá proporcionar melhorias no planejamento dos recursos urbanos e naturais de uma região, em especial na atividade agrícola (GALVINCIO et al., 2009) Há uma intensa preocupação da comunidade científica do mundo em buscar diversas alternativas que atenue a dependência do ser humano ao clima. Para minimizálos, tornam-se imprescindíveis a realização de pesquisas e estudos que ampliem os condicionantes sobre o clima (LOMBARDO, 1985). A temperatura do ar e da superfície pode ser considerada um dos fatores mais importantes do clima. Segundo Medeiros et al. (2005), a temperatura, dentre os elementos climáticos, que promove maior efeito direto e significativo sobre muitos processos fisiológicos em plantas e animais. Porém o seu conhecimento é uma tarefa difícil, pois os dados meteorológicos mostram-se escassos e pontuais. A temperatura do ar apresenta um ciclo diário, passando por um máximo e por um mínimo. Em situações normais as temperaturas máximas ocorrem, em geral, entre 14 e 15 horas e as mínimas acontecem pouco antes do alvorecer. O conhecimento da temperatura do ar é de fundamental importância para diversas áreas de pesquisa, como a meteorologia, a oceanografia, a climatologia e a hidrologia (VIANELLO e ALVES, 1991). De acordo com Sediyama et al. (1998), a escassez de dados meteorológicos em grande parte do território nacional é um dos fatores limitantes à realização de estudos suficientemente detalhados sobre os tipos climáticos de diversas regiões, principalmente quando as mesmas apresentam uma ampla extensão territorial. Procurando solucionar os problemas de falta de dados meteorológicos, o sensoriamento remoto mostra-se como alternativa de grande auxílio, pois podem diminuir a dependência de dados de estações meteorológicas. Na última década, tem-se observado o crescente desenvolvimento de diversas ferramentas computacionais do geoprocessamento, chamados de Sistemas de Informações Geográficas (SIG s), permitindo realizar e analisar dados complexos de diversas fontes, baseado em tecnologias de custo relativamente baixo, tornando possível, por exemplo, o estudo da temperatura de superfície do planeta. O Software Idrisi para a plataforma Windows, utilizado neste estudo, combina processamento de imagens com um Sistema de Informações Geográficas. O software é desenvolvido pela Faculdade de Geografia, da Clark University, localizada em Massachussets, Estados Unidos. É um sistema que trabalha com as formas raster e vetorial de dados (EASTMAN, 1999). 75
Revista ACTA Tecnológica - Revista Científica - ISSN 1982-422X, Vol. 6, número 1, jan-jun. 2011 Muitos algoritmos para estimar calor e fluxo de evaporação têm sido propostos nos últimos 10 anos, usando o sensoriamento remoto. O algoritmo SEBAL (Surface Energy Balances Algorithms for Land) consiste em um conjunto de procedimentos destinados ao cômputo do balanço de energia (BASTIAANSSEN, 2000). Silva (2004) afirma que no SEBAL, o erro para se chegar a uma medida precisa em uma escala de 1 ha varia de 10 a 20% e as incertezas diminuem à medida que essa escala aumenta. Para uma área de 1000 ha o erro é reduzido a 5% e para regiões com 1 milhão de ha de terra cultivável, o erro é tão pequeno que se torna insignificante. Alguns trabalhos tiveram linha de pesquisa semelhante (ARAÚJO, 2006; GALVÍNCIO et al., 2009). Diante do exposto, os objetivos deste estudo foi analisar e comparar a temperatura de superfície do solo, estimada por meio de imagens orbitais, e obter uma análise comparativa com a temperatura do ar medida em estações meteorológicas para o clima semiárido na cidade de Iguatu, CE. MATERIAL E MÉTODOS A área em estudo foi parte do município de Iguatu no estado do Ceará (Figura 1), situada na região fisiográfica do sertão nordestino, compreendendo parte da cidade onde está localizada estação meteorológica, com uma área de aproximadamente de 400 km² entre as coordenadas 459520E, 9287420N e 479980E e 9306540N. Segundo a classificação de Köppen, o tipo de clima: BSw h, clima quente e semiárido, caracterizado pela insuficiência das chuvas, com precipitação pluvial média anual de 870 mm e temperaturas elevadas acarretando forte evaporação, apresentando temperatura média anual de 27,5 C e tendo apenas duas estações climáticas bem definidas durante o ano, uma chuvosa e outra seca (SUDENE, 1973). Foram utilizados dados diários de temperatura máxima e mínima da cidade de Iguatu, obtidos junto ao 3º Distrito do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) dos anos de 1961 a 2008, cuja localização é 6,22º latitude Sul e 39,18º longitude oeste, situada no estado do Ceará (SILVA, 1987). 76 Figura 1. Localização da área em estudo.
ANÁLISE COMPARATIVA DA TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE OBTIDA COM O AUXÍLIO DE IMAGENS ORBITAIS E TEMPERATURA MEDIDA NA CIDADE DE IGUATU-CE Para a obtenção da temperatura de superfície utilizou-se imagens orbitais dos satélites LANDSAT 5 e 7, obtidas gratuitamente no catálogo de imagens do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais). O LANDSAT 5 possui sensores ThematicMapper (TM), e mede a energia radiante dos alvos sob a forma de radiância espectral, armazenando-a em forma digital com intensidades dos níveis de cinza variando de 0 a 255. A resolução temporal deste satélite é 16 dias, e cada cena gerada tem 185 x 185 km (BORGES, 2008). Uma imagem LANDSAT 7 ETM+ é composta por 8 bandas espectrais que podem ser combinadas em inúmeras possibilidades de composições coloridas e opções de processamento. Entre as principais melhorias técnicas, se comparado ao seu antecessor, o satélite Landsat 5, destacam-se a adição de uma banda espectral (banda Pancromática) com resolução de 15 m, perfeitamente registrada com as demais bandas, melhorias nas características geométricas e radiométricas, e o aumento da resolução espacial da banda termal para 60 m. Foram selecionadas imagens, de 1980 a 2008, sendo descartadas as imagens com cobertura de nuvens acima de 60% da imagem. Porém, com a raridade de dados da estação convencional, o número de imagens de datas com disponibilidade de dados medidos, foi reduzido. O software Idrisi Andes 15.0 foi utilizado para o cálculo da temperatura de superfície seguindo o algoritmo SEBAL apresentado suas etapas na figura 2. 77
Revista ACTA Tecnológica - Revista Científica - ISSN 1982-422X, Vol. 6, número 1, jan-jun. 2011 Figura 2. Fluxograma representando as etapas a serem seguidas na obtenção da temperatura da superfície. Radiância espectral A Etapa 1 constituiu o cômputo da radiância espectral de cada banda ( ), ou seja, efetivação da Calibração Radiométrica, em que o número digital (ND) de cada pixel da imagem é convertido em radiância espectral monocromática. Essas radiâncias representam 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 Landsat (705 km), para as bandas 1, 2, 3, 4, 5 e 7. Para a banda 6, essa radiância representa a energia emitida por cada pixel segundo a equação de Markham e Baker (1987). 1); onde: a e b - são as radiâncias espectrais mínimas e máximas, (Wm -2 sr -1 µm -1, Tabela ND - intensidade do pixel (número digital número inteiro de 0 a 255); i - corresponde as bandas (1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7) do satélite Landsat 5 - TM. 78
ANÁLISE COMPARATIVA DA TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE OBTIDA COM O AUXÍLIO DE IMAGENS ORBITAIS E TEMPERATURA MEDIDA NA CIDADE DE IGUATU-CE Tabela 2. Características espectrais e espaciais do sensor Landsat 5 - TM, sugeridos por por Chander e Markham (2003). Bandas Comprimento de onda (μm) Coeficientes de calibração (Wm-2sr-1μm-1) De 01/03/1984 até 04/05/2003 Após 05/05/2003 a b A b Irradiância espectral no topo da atmosfera (Wm-2μm-1) 1 (azul) 0,45 0,52-1,52 152,10-1,52 193,00 1957 2 (verde) 0,52 0,60-2,84 296,81-2,84 365,00 1826 3 (vermelho) 0,63 0,69-1,17 240,30-1,17 264,00 1554 4 (IV-próximo) 0,76 0,79-1,51 206,20-1,51 221,00 1036 5 (IV-médio) 1,55 1,75-0,37 27,19-0,37 30,20 215,0 6 (IV-termal) 10,4 12,5 1,238 15,303 1,238 15,303-7 (IV-médio) 2,08 2,35-0,15 14,38-0,15 16,50 80,67 Reflectância A Etapa 2 representa o cômputo da reflectância monocromática de cada banda (ρ λi ), definida como sendo a razão entre o fluxo de radiação refletida e o fluxo de radiação incidente que é obtida segundo a equação (ALLEN et al., 2002). ρ λi = π. Lλi kλi.coszd r onde: Lλi -é a radiância espectral de cada banda,é a irradiância solar espectral de cada banda no topo da atmosfera (Tabela 2); kλi - Irradiância espectral no topo da atmosfera(tabela 2); Z - ângulo zenital solar; d r - razão entre a distância média Terra-Sol ( e a distância Terra-Sol (r) em dado dia do ano (DJ), que de acordo com Iqbal (1983), é dada por: onde: 79
Revista ACTA Tecnológica - Revista Científica - ISSN 1982-422X, Vol. 6, número 1, jan-jun. 2011 Γ = 360((DJ-1)/365)( ) e DJ é o dia Juliano. O ângulo zenital solar é obtido através do cabeçalho das imagens adquiridas, e depende da órbita e ponto e época do ano. Albedo planetário A Etapa 3 representa o cômputo do albedo planetário (α toa ), isto é, o albedo não ajustado à transmissividade atmosférica, que é obtida pela combinação linear das refletâncias monocromáticas dos canais refletivos do sensor: α toa = 0,293ρ 1 +0,274ρ 2 +0,233ρ 3 +0,157ρ 4 +0,033ρ 5 +0,011ρ 7 5 e 7. onde: ρ 1, ρ 2, ρ 3, ρ 4, ρ 5 e ρ 7 são as refletâncias monocromáticas das bandas 1, 2, 3, 4, Albedo da superfície Na Etapa 4 se obtém o cômputo do albedo da superfície ou albedo corrigido para os efeitos atmosféricos α, pela equação: α= α toa - α p τ sw 2 onde: α - albedo planetário; toa α p - radiação solar refletida pela atmosfera, que varia entre 0,025 e 0,04, mas para o modelo SEBAL é recomendado o uso do valor de 0,03, com base em Bastiaanssen (2000); τ sw -transmissividade atmosférica que para condições de céu claro, pode ser obtida por (ALLEN et al., 2002): τ sw = 0,75 + 2.10-5 z 80 onde: z - altitude de cada pixel (m). NDVI, SAVI e IAF
ANÁLISE COMPARATIVA DA TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE OBTIDA COM O AUXÍLIO DE IMAGENS ORBITAIS E TEMPERATURA MEDIDA NA CIDADE DE IGUATU-CE O Índice de Vegetação da Diferença Normalizada (Normalized Difference Vegetation Index - NDVI) foi obtido através da razão entre a diferença das refletividades do IV- próximo (ρ IV ) e do vermelho (ρ V ) pela soma das mesmas (Allen et al., 2002): NDVI = ρ IV - ρ V ρ IV + ρ V ρ IV e ρ V - bandas 4 e 3, respectivamente, do Landsat 5 TM. v O NDVI é um indicador sensível da quantidade e da condição da vegetação verde. Seus valores variam de 1 a +1 e para superfícies com alguma vegetação o NDVI varia de 0 e 1, já para a água e nuvens o NDVI geralmente é menor que zero. Para o cálculo do Índice de Vegetação Ajustado para os Efeitos do Solo (SoilAdjustedVegetation Index - SAVI) que é um índice que busca amenizar os efeitos do background do solo, é utilizado à expressão: SAVI = (1 +L)(ρ IV - ρ V ) (L+ρ IV + ρ V ) onde: L é constante. Em vários estudos utiliza-se L = 0,5, que é o valor mais frequente na literatura (HUETE, 1988; BOEGH et al., 2002). O Índice de Área Foliar (IAF) foi 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 é computado pela seguinte equação empírica obtida por Allen et al. (2002): Emissividades Para a obtenção da temperatura da superfície, foi utilizada a equação de Planck invertida, válida para um corpo negro. Como cada pixel não emite radiação eletromagnética como um corpo negro, há a necessidade de introduzir a emissividade de cada pixel no domínio espectral da banda termal ε NB. Por sua vez, quando do cômputo da radiação de onda longa emitida por cada pixel, há de ser considerada a emissividade no domínio da banda larga ɛ 0 (6 14 μm). Segundo Allen et al. (2002), as emissividades ε NB 81
Revista ACTA Tecnológica - Revista Científica - ISSN 1982-422X, Vol. 6, número 1, jan-jun. 2011 podem ser obtidas, para NDVI>0 e IAF<3, segundo: Para pixels com, IAF 3, ɛ NB = ɛ 0 = 0,98. Para corpos de água (NDVI<0), no caso do lago de Sobradinho e do leito do Rio São Francisco, Silva e Cândido (2004) utilizaram os valores de 0,99 e 0,985, conforme Allen et al. (2002). Temperatura da superfície Para a obtenção da temperatura da superfície (Ts) foram utilizados a radiância espectral da banda termal e a emissividade obtida na etapa anterior. Dessa forma, obtémse a temperatura da superfície (K) pela expressão: K 1 =607,76 Wn -2 2r -1 µm -1 e K 2 =1260.56K são constantes de calibração da banda termal do Landsat 5 T (Allen et al., 2002). RESULTADOS E DISCUSSÃO O único empecilho apresentado na realização do trabalho deveu-se ao fato da pouca disponibilidade de dados na estação meteorológica, reduzindo o número de comparações possíveis entre temperaturas estimadas e a obtida na estação. Entretanto foram realizados todos os passos propostos ao processamento das imagens: Figura 3. Temperatura da superfície para o dia 24/7/2001, obtida pelo algoritmo SEBAL e imagens Landsat. 82
ANÁLISE COMPARATIVA DA TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE OBTIDA COM O AUXÍLIO DE IMAGENS ORBITAIS E TEMPERATURA MEDIDA NA CIDADE DE IGUATU-CE Tabela 3. Apresentação da temperatura obtida na estação meteorológica de Iguatu e a temperatura da superfície estimada pelo algoritmo SEBAL para o pixel da estação meteorológica. Data Temperatura da estação( C) Máxima Mínima Temperatura estimada pelo SEBAL ( C) 24/7/1980 33,5 18,3 30,1 31/5/1996 29,4 20,3 25,2 19/6/1997 32 19,7 29,3 21/7/1997 32 18,8 31,1 01/8/1998 34,4 20,9 29,4 06/6/1998 33,2 21,1 29,3 24/7/1998 34,2 23,9 32,7 24/7/2001 34,8 18,9 33,7 22/4/2002 31,2 20,9 29,1 08/5/2002 30,6 22,3 27,2 13/9/2002 36 21 33,7 16/7/2003 33,6 18,4 30,5 22/7/2003 34,7 20,1 32,3 24/9/2008 28,9 27,6 26,8 De acordo com a Tabela 3, a temperatura máxima medida na estação meteorológica, dentre as datas abrangidas pelo estudo, foi de 34,8 C para o dia 24 de setembro de 2001. Já seguindo o algoritmo SEBAL, a temperatura máxima observada foi de 33,7 C, estimada para as datas de 24/7/2001 e 13/9/2002. A Figura 4 exibe o comportamento dos dados diários de temperatura (máxima e mínima) registrada na estação meteorológica, e a estimada pelo SEBAL. Observouse que as temperaturas máximas registradas pela estação meteorológica mostram mais elevadas do que a temperatura estimada pelo SEBAL. Tal comparação apresenta variação máxima de 5 C, encontrado na data de 08/01/2007, e uma variação mínima de 0,9 C para a data de 21/7/1997. Em media a temperatura de superfície estimada pelo SEBAL variou em 2,7 C para menos da temperatura máxima diária registrada na estação, corroborando com o encontrado por Pinheiro et al. (2006) para a uma região de Savana na África do Sul, e também por Galvíncio (2009) para região de semiárido do Brasil. 83
Revista ACTA Tecnológica - Revista Científica - ISSN 1982-422X, Vol. 6, número 1, jan-jun. 2011 Figura 4. Análise do comportamento da temperatura registrada na estação meteorológica e a temperatura da superfície estimada pelo SEBAL. Apesar das temperaturas da superfície serem superiores às temperaturas do ar, especialmente entre 9h e 19h, onde o solo recebe maior quantidade de radiação solar aquecendo a superfície, estes resultados demonstram que os valores estimados de temperatura à superfície através de imagem de satélite aproximam-se das temperaturas máximas registradas no dia. O comportamento da temperatura da superfície, comparada com a temperatura mínima medida na estação, mostrou-se sempre maior, excetuando-se apenas para o dia 24/09/2008. A variação maior foi de 14,8 C, na data de 24/7/2001. A menor variação foi sofrida na data de 24/9/2008, com 0,8 C para menos. A variação média foi de 9,1 C a mais da temperatura mínima mensurada na estação meteorológica. A maior frequência de pixels se aproxima da temperatura sobre o pixel da estação paras as datas de 24/7/1980, 31/5/1996, 24/7/1998, 24/7/2001, 22/4/2002, 08/5/2002, 13/9/2002, 24/9/2008(8 datas), logo, em 6 datas, tal situação não ocorreu, 19/6/1997, 21/7/1997, 01/8/1998, 06/6/1998, 16/7/2003, 22/7/2003(Figuras 5 e 6). 84
ANÁLISE COMPARATIVA DA TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE OBTIDA COM O AUXÍLIO DE IMAGENS ORBITAIS E TEMPERATURA MEDIDA NA CIDADE DE IGUATU-CE Figura 5. Frequência de pixels em função da temperatura para cada data, mostrando-se também a temperatura média obtida na estação meteorológica. 85
Revista ACTA Tecnológica - Revista Científica - ISSN 1982-422X, Vol. 6, número 1, jan-jun. 2011 Figura 6. Frequência de pixels em função da temperatura para cada data, mostrando-se também a temperatura média obtida na estação meteorológica. 86
ANÁLISE COMPARATIVA DA TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE OBTIDA COM O AUXÍLIO DE IMAGENS ORBITAIS E TEMPERATURA MEDIDA NA CIDADE DE IGUATU-CE CONCLUSÃO Diante da utilização modelo SEBAL, quando confrontado com de temperatura, máxima e mínima do ar, registrada em estações meteorológicas, mostrou confiabilidade quando a temperatura estimada para superfície do solo foi comparada com a temperatura máxima. Apresentando diferença média de 2.7ºC para menos. Porém quando a temperatura da superfície do solo foi comparada com dados de temperatura mínima do ar, mostrou-se pouco confiável, diferindo seus resultados com uma média de 9,1 C. AGRADECIMENTOS Ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais e Instituto Nacional de Meteorologia, pela cessão dos dados meteorológicos utilizados nesse trabalho. Ao Laboratório de Geoprocessamento do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia, do Ceará, campus Iguatu. REFERÊNCIAS ALLEN, R.G.; TASUMI, M.; TREZZA, R. et al. Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) Advanced training and Users Manual.2002. Idaho. ARAUJO, T.L. Estimativa da temperatura e do saldo de radiação à superfície terrestre em Maceió-AL utilzando imagens TM/LANDSAT 5. 2006. 91p. Tese. Universidade Federal de Alagoas UFAL. Maceió AL, 2006. 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. BASTIAANSSEN, W.G.M., M. MENENTI, R.A. FEDDES et al. The Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL): Part 1 formulation. Journal of Hydrology, v. 212-213, p. 198-212, 1998. BOEGH, E.; SOEGAARD, H.; THOMSEN, A. Evaluating evapotranspiration rates and surface conditions using Landsat TM to estimate atmospheric resistance and surface resistance. Remote SensingofEnvironment. 79:329-343, 2002. BORGES, V. P. Aplicação do Algoritmo Sebal e imagens Landsat para Estimativa da Demanda Hídrica do Algodoeiro Irrigado no Oeste da Bahia. Bahia. 2008. Chander, G.; Markham, B. Revised Landsat-5 TM Radiometric Calibration Procedures and Postcalibration Dynamic Ranges. Ieee transactions on geoscience and remote sensing. v. 41. n. 11. 2003. 87
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