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ROSANA AMARAL CARRASCO
AVALIAÇÃO ESPAÇO-TEMPORAL DA RELAÇÃO ENTRE COBERTURA VEGETAL E TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE NO PONTAL DO
PARANAPANEMA UTILIZANDO IMAGENS ORBITAIS
Orientadora: Profa. Dra. Ana Paula M. RamosCo-orientador: Prof. Dr. Paulo Antônio da SilvaColaboradora: Profa. Dra. Rejane E. Cicerelli (UnB)Colaborador técnico: Doutorando Lucas P. Osco
Projeto de mestrado apresentado ao Programa de Pós-Graduação em Meio Ambiente e Desenvolvimento Regional da Universidade do Oeste Paulista. Área de concentração: Ciências Ambientais. Linha de pesquisa: Planejamento ambiental e Desenvolvimento Regional
Presidente Prudente – SP2016
PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃOMESTRADO EM MEIO AMBIENTE E
DESENVOLVIMENTO REGIONAL - MMADRE
RESUMO
A supressão vegetal é um dos fatores que pode contribuir diretamente para a alteração do clima de uma região. O objetivo desse trabalho é avaliar se a mudança de temperatura de superfície na região do Pontal do Paranapanema tem relação com a alteração do uso e cobertura do solo nos últimos anos, por meio de dados de sensoriamento remoto. Imagens orbitais têm sido usadas no monitoramento da degradação ambiental, visando minimizar problemas ambientais, como a emissão de CO2 na atmosfera. Para tanto, será realizado a revisão de literatura sobre os temas que fundamentam o desenvolvimento da presente pesquisa. O método contempla as etapas de pré-processamento das imagens orbitais, como as correções de ordem geométrica, radiométrica e atmosférica, processamento dos dados para a extração das informações de cobertura vegetal e de temperatura, produção de mapas temáticos para a análise quali-quantitativa da alteração da cobertura vegetal e variação da temperatura de superfície. A principal contribuição desse trabalho é identificar a influência da dinâmica da vegetação na variação da temperatura de superfície da região do Pontal do Paranapanema-SP, e os impactos ambientais negativos associados.
Palavras-chave: cobertura vegetal, temperatura de superfície, mapas temáticos, imagens orbitais, Pontal do Paranapanema.
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1 INTRODUÇÃO
Dentre as diversas transformações ocorridas no meio ambiente, a
supressão da cobertura vegetal é uma daquelas que pode contribuir diretamente
para a alteração do clima de uma região. Sano et al. (2011) afirmam que processos
antrópicos intensificam a supressão da vegetação e citam, por exemplo, os
processos relacionados à produção de alimentos como os grandes responsáveis
pela remoção da vegetação nativa no Brasil.
A vegetação é um importante indicador de qualidade ambiental, por
atuar, dentre outros, na filtragem e dispersão da poluição atmosférica (ex.: CO2), na
distribuição de oxigênio, como fonte de matéria orgânica para o solo, na retenção da
umidade do solo e do ar e na redução das temperaturas, através do processo de
evapotranspiração (BARBOSA; DORIGON, 2014). Segundo o superintendente geral
da Fundação Amazônia Sustentável (FAS), Viana (apud SAIBA..., 2011), “O
desmatamento representa de 12% a 20% do total de emissões de gases de efeito
estufa (GEE) no planeta. No Brasil, ele representa de 50% a 70% de toda a emissão
de GEE”.
DESMATAMENTO... (2016), relata que o desmatamento da Amazônia
vem crescendo tanto que provocou o aumento de gases de efeito estufa. Os
números do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), apresenta que o
desmatamento da Amazônia subiu em 25% em 2015 em relação ao ano de 2014,
como consequência disso, houve um aumento de 3,5% nos gases do efeito estufa
no Brasil, ou seja, quase 2 bilhões de toneladas de gases poluíram o meio ambiente,
segundo observatório do clima. Com isso, pesquisadores do Imazon (Instituto do
Homem e Meio Ambiente da Amazônia), associam esse aumento nas emissões de
gases do efeito como sendo um reflexo da diminuição do número de analistas
ambientais para combater o desmatamento na Amazônia, além disso também
consideram que algumas regras do código florestal não são capazes de punir quem
desmata a floresta. O quadro acende um alerta para o Brasil, que, no acordo de
Paris, acertado em dezembro de 2015, pois o Brasil se comprometeu a zerar o
desmatamento, plantar 12 milhões de árvores, além disso, assumiu o compromisso
de reduzir suas emissões em 37% até 2025 e em 43% até 2030, sempre usando
como referência os níveis de lançamentos de 2005.
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A floresta é muito importante para o equilíbrio do ambiente terrestre,
por isso deve ser preservada. Borges et al. (2011) afirmam que temperaturas
amenas são observadas em regiões de mata ciliar, corpos d’água e aéreas cobertas
por vegetação, com valores ainda menores em áreas de vegetação nativa. Dessa
forma, é relevante a realização de pesquisas que investiguem a relação entre a
supressão da vegetação devido, por exemplo, ao aumento das áreas cultivadas e as
implicações ambientais decorrentes, como o aumento da temperatura de superfície.
Para Cunha et al. (2012), o estudo da relação entre a temperatura e a cobertura
vegetal possibilita diagnosticar não somente as alterações antrópicas em um meio,
mas também as alterações naturais na paisagem, e com isso orientar o
estabelecimento de políticas que minimizem um quadro de degradação ambiental.
Oliveira et al. (2012) apresentam que a temperatura de superfície está
envolvida no balanço de energia, na evapotranspiração da vegetação e em
processos de desertificação, sendo um indicador essencial de degradação ambiental
e mudança climática. Fenômenos socioambientais, incluindo os que alteram a
temperatura de superfície, como ocorre no processo de urbanização, como
apontado por Monteiro (1976), Landsberg (1981), Mascaró (1996), Romero (2001) e
Sorre (2006), podem ser investigados a partir do uso de dados de sensoriamento
remoto. Novo (2010) define sensoriamento remoto como uso conjunto de sensores e
equipamentos de processamento e de transmissão de dados, embarcados em
plataformas (ex.: satélites), para o estudo de eventos, fenômenos e processos que
ocorrem na superfície terrestre, a partir do registro e análise das interações entre a
Radiação Eletromagnética (REM) e as substâncias que os compõem em suas mais
diversas manifestações.
Soares Filho et al. (2004) afirmam que a análise espaço-temporal das
mudanças de cobertura do solo, além de permitir uma avaliação da história de
ocupação de uma região, serve para a criação de modelos de evolução da
paisagem. Para esse estudo, a fim de fazer um resgate da história ambiental do
Pontal do Paranapanema, será avaliado a mudança de temperatura de superfície na
região do Pontal e a alteração do uso e cobertura do solo nos últimos 30 anos, isto
porque de acordo com Mozar de Araújo Salvador, meteorologista do Instituto
Nacional de Meteorologia (Inmet), habitualmente é usado em estudos evolvendo
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análises multitemporal para fazer a média do clima dados de um período médio de
30 anos.
Para Ferreira et al. (2004), dentre os vários produtos que são obtidos
por meio de dados de sensoriamento remoto, mapas de temperatura de superfície
são um de destaque, principalmente, devido à grande utilidade que possuem para
auxiliar em tarefas de monitoramento agrícola, detecção de queimadas e estudos de
mudanças climáticas. Um estudo realizado nesse contexto no Pontal do
Paranapanema é o de Osco et al. (2015). Tais autores utilizaram imagens do satélite
Landsat-8 (bandas termais 10 e 11, sensor TIRS), para avaliar a influência do uso e
cobertura da terra na temperatura de superfície da região do alto curso da bacia do
rio Pirapozinho/SP em 2014. Osco et al. (2015) concluíram que as variações de
temperatura associam-se à dinâmica de uso da terra; entretanto, recomendam
novos estudos nessa área em diferentes épocas.
Monteiro (1991) afirma que as informações de sensoriamento remoto,
como uso e cobertura da terra e a variação da temperatura de superfície, são
parâmetros importantes quando se trata de estudos do clima de uma área
geográfica.
Segundo Rodrigues et al. (2009), por meio de imagens de
sensoriamento remoto é possível avaliar parâmetros essenciais ao monitoramento
da degradação ambiental usando índices de vegetação, tal como o Índice de
Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI). Vários trabalhos (TSUYUGUCHI et
al., 2010; CASTRO et al., 2013; BARBOSA e DORIGON, 2014; SANTOS e
OLIVEIRA, 2015) têm utilizado de índices de vegetação, como o NDVI, para o
estudo da supressão da vegetação. Isto, seja em áreas urbanas ou rurais como se
verifica nas obras de Araújo e Di Pace (2010) e Silva et al. (2011), respectivamente.
Assim, a interpretação de dados termais associados a índices de vegetação pode
ser uma alternativa eficaz no estudo da correlação entre aumento de temperatura e
redução de cobertura vegetal, viabilizando o estudo de fenômenos ambientais ou a
alteração de ecossistemas.
A partir desse estudo, é possível avaliar a qualidade ambiental da
região do Pontal do Paranapanema, identificando a dinâmica da cobertura vegetal,
como também será realizado estudos comparativos com a influência da supressão
vegetativa no aumento da temperatura de superfície. Assim, será realizado um
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estudo de maneira indireta, relacionando a literatura com os resultados do presente
trabalho, para entender se houve um aumento dos gases atmosféricos poluentes na
região, e por fim, identificar os possíveis impactos em razão desses resíduos
atmosféricos.
2. JUSTIFICATIVA
O presente estudo se justifica, sobretudo, por duas razões. A primeira é
a falta estudos no Pontal do Paranapanema que evidenciem as consequências da
dinâmica da cobertura vegetal e seus possíveis impactos ambientais negativos,
como alteração climática e aumento da poluição atmosférica. Nesse temática,
aponta-se a necessidade de uma pesquisa que responda questões do tipo: “Houve
supressão da vegetação no Pontal do Paranapanema nos últimos 30 anos?”; “Em
caso positivo, de quanto foi essa perda de vegetação?”; “Houve variação da
temperatura de superfície no Pontal nos últimos 30 anos?”; “Em caso positivo, essa
variação de temperatura pode ser correlacionada à alteração no uso e cobertura da
terra?”. A partir desses resultados, futuros estudos podem investigar outras questões
de pesquisa, tais como: “Quais atividades antrópicas desenvolvidas na região do
Pontal que possivelmente contribuem para a supressão da vegetação?” ou “Quais
áreas no Pontal passaram por grandes transformações socioambientais nos últimos
30 anos e que explicam as mudanças climáticas do local?”.
A segunda razão que justifica o presente estudo é o aumento no uso
de imagens orbitais para estudos ambientais, principalmente, devido ao baixo custo
dessas, quando não gratuitas, se comparado aos tradicionais métodos de
levantamento fotogramétrico e topográfico. O sensoriamento remoto contribui de
forma eficaz no estudo do meio ambiente, pois as imagens orbitais permitem uma
visão sinóptica da superfície (JENSEN, 2011) viabilizando, entre outras, a análise de
impactos naturais e antrópicos e o monitoramento de indicadores da qualidade
ambiental, como a cobertura vegetal. Assim, produtos cartográficos temáticos, como
mapas ou carta-imagem, possuem fundamental importância em análises ambientais,
pois comunicam os fatores e os elementos que auxiliam na compreensão do estado
ambiental de uma região. Todo esse contexto evidencia a importância da
Cartografia, enquanto arte, técnica e ciência (ICA, 1966) e, mais atualmente, das
9
Geotecnologias, tal como os softwares de Sistema de Informação Geográfica (SIG)
e os sensores de sensoriamento remoto, para suporte à atividade de análise
ambiental de um meio.
Cabe ressaltar que a disponibilidade gratuita de imagens orbitais de
baixa e média resolução espacial, bem como os softwares de SIG, torna possível a
produção de dados cartográficos de qualidade a um baixo custo (CREPANI, 2005).
Além da questão econômica, outra importante característica das imagens orbitais, e
que também justifica a realização do presente estudo, é devido essas imagens
viabilizarem o mapeamento de grandes áreas em extensão territorial, como é
caracterizada a região do Pontal do Paranapanema (Figura 1). A extensão do Pontal
é de 18.844,60 km² e sua população estimada em 583.703 habitantes, distribuídos
em 32 municípios, dos quais 89,74% residem em área urbana, segundo o último
Censo do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), em 2010.
Segundo a Fundação Instituto de Terras do Estado de São Paulo
(ITESP, 2013), a região do Pontal do Paranapanema possui um histórico de intensa
ocupação territorial, sem a devida preocupação com os impactos negativos oriundos
dessa ocupação. Pesquisas apontam que as terras do Pontal sofrem um processo
contínuo de mudança do uso e cobertura, devido, principalmente, à pecuária e a
monocultura da cana-de-açúcar (DIBIESO; LEAL, 2008; ZANATTA et al. 2011).
Todavia, essas análises são de caráter qualitativo, sendo desconexas de uma
avaliação quantitativa dessas áreas como possibilitam as geotecnologias. Se, no
passado, o Pontal do Paranapanema era palco para a produção de lavouras de café,
algodão, amendoim e menta (MONBEIG, 1981; LEITE, 1989), atualmente, a
agricultura de cana-de-açúcar, pastagem e os assentamentos rurais (THOMAZ JR.,
2009) caracterizam as atividades antrópicas mais acentuadas nessa região do
Brasil.
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Figura 1: Localização dos municípios do Pontal do Paranapanema no Estado de São Paulo.
3. OBJETIVOS
Avaliar se a mudança de temperatura de superfície na região do Pontal
do Paranapanema tem relação com a alteração do uso e cobertura do solo nos
últimos anos a partir de imagens orbitais gratuitas.
Como objetivos específicos, tem-se:
• Caracterizar as fitofisionomias vegetais predominante na região do
Pontal do Paranapanema;
• Detectar mudanças espaço temporal da vegetação nativa nos últimos
30 anos;
• Quantificar a mudança de temperatura de superfície na região do
Pontal do Paranapanema;
• Correlacionar os resultados de índice de vegetação com os de
temperatura; e
• Relacionar os impactos da alteração da cobertura vegetal com o
aumento dos resíduos atmosféricos.
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4 HIPÓTESE
O esforço de compreender a influência da vegetação no clima significa
entender a importância que as florestas possuem na preservação do equilíbrio
ambiental. A remoção da cobertura vegetal pode provocar diretas alterações no
clima, como também contribui no acúmulo de dióxido de carbono (CO2) impactando
no aumento da poluição atmosférica (BARBOSA e DORIGON, 2014).
A hipótese dessa pesquisa é que se houve o aumento da temperatura
de superfície no Pontal do Paranapanema nos últimos 30 anos está associado à
supressão da vegetação nessa região por atividades antrópicas.
5 REVISÃO DE LITERATURA
A revisão da literatura permitirá aprimorar o conhecimento nos
seguintes tópicos: geotecnologias aplicadas no estudo ambiental, com destaque
para princípios de sensoriamento remoto, como: sistemas sensores, comportamento
espectral de alvos, técnicas de interpretação de imagens, processamento digital de
imagens (correções geométrica, radiométrica, atmosférica, técnicas de realce),
métodos de extração de dados em imagens orbitais (índice de vegetação,
classificação de imagens, estimativa da temperatura usando dados termais).
Para tanto, pretende-se consultar as obras de Florenzano (2011), Novo
(2010), Jensen (2011), Moreira (2011), bem como periódicos na área, incluindo os
que tratam de estudos de caso similares, como o de Lock e Kirchner (1997) e
Amaral et al. (2009). Além desses tópicos relacionados à Cartografia, pretende-se
realizar uma revisão da literatura sobre os conceitos relacionados à vegetação.
6 METODOLOGIA
6.1 Materiais
Os materiais necessários para a realização dessa pesquisa consistem
em computadores e impressoras, software de Sistema de Informação Geográfica
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(SIG), como: QGIS 2.14, SPRING 5.4 e ArcGis 10.4. Além disso, serão utilizadas
base de dados vetoriais dos municípios do Pontal do Paranapanema, imagens
orbitais, por exemplo, série Landsat, RapidEYE, CBERS, Modelo Digital de Elevação
(MDE) obtido de imagem de radar a partir da missão SRTM (Shuttle Radar
Topography Mission) e dados meteorológicos da região disponibilizados pela
FCT/UNESP - INMET (Estação Meteorológica da Faculdade de Ciências e
Tecnologia da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”).
6.2 Método
A paisagem, segundo Bertrand (2004), é produto da combinação
dinâmica dos elementos físicos, biológicos e antrópicos que atuam uns sobre os
outros e fazem da paisagem um conjunto único e indissociável, em contínua
transformação. Para o presente estudo, pretende-se empregar uma metodologia
quantitativo-qualitativa na busca de se analisar e interpretar a alteração da cobertura
vegetal e da temperatura de superfície na região do Pontal do Paranapanema, nos
últimos 30 anos, a partir de imagens orbitais. Martins (1998) afirma que a
abordagem quantitativa se caracteriza por mensurar as variáveis de pesquisa, ou
seja, uma maneira de se quantificar dados na forma de coleta de informações. Na
abordagem qualitativa, o ato é analisar e compreender os resultados, afirma o
mesmo autor.
A partir da proposta quantitativo-qualitativa, o método de investigação
proposto ocorrerá por meio de um estudo de caso, na qual o objeto de estudo é a
região do Pontal do Paranapanema-SP. Para Tull e Hawkins (1976), um estudo de
caso é uma análise intensiva de uma situação particular. Assim, o método da
presente pesquisa está dividido em três grandes etapas: pré-processamento das
imagens, processamento dos dados para a extração do índice de vegetação e dados
de temperatura, e produção de mapas temáticos. Essas etapas e suas fases estão
descritas no fluxo de metodológico, apresentado na Figura 2.
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Figura 2 – Fluxo metodológico.
6.2.1 Seleção das imagens orbitais
A elaboração dos produtos temáticos de interesse - mapas para a
estudo da variação da cobertura vegetal e da temperatura de superfície, será
realizada a partir de imagens orbitais gratuitas. A priori, têm-se três possibilidades de
uso de sistemas com diferentes características, em termos de resolução espacial,
radiométrica, espectral e temporal, quais sejam: série Landsat, CBERS e
RAPIDEYE. Assim, será realizado um estudo para definir qual desses sistemas
sensores será utilizado no desenvolvimento da pesquisa, lembrando que se pode
realizar a integração de imagens de diferentes sensores.
As imagens CBERS e Landsat podem ser obtidas na página do
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)1 (Figura 3).
1 Disponível em: <http://www.dgi.inpe.br>.
ETAPAS
Pré-processamento dos dados
Seleção das Imagens orbitais
Correção das imagens
Realce das imagens
Processamento dos dados
Estimativa da cobertura vegetal por índice de vegetação
Extração da temperatura de superfície Validação dos dados em campo
Produção de mapas temáticos
Mapa do índice de vegetação
Mapa de temperatura
Correlação/Análise dos Mapas
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Figura 3 – Página para download de imagens orbitais no site do INPE.
Fonte: www.dgi.inpe.br
As imagens do satélite Landsat, também estão disponíveis página do
Serviço Geológico dos EUA, o USGS2 (Figura 4). As imagens RAPIDEYE são
fornecidas pelo governo brasileiro a intuições públicas ou de pesquisa no país.
2 Disponível em: <http://earthexplorer.usgs.gov/>.
15
Figura 4 – Página para download de imagens orbitais no site da USGS.
Fonte: www.usgs.gov
6.2.2 Processamento dos dados
Todas as etapas de pré-processamento e processamento dos dados
será realizada no SPRING3 e (ou) ArcGIS 10.4. A produção dos mapas será
realizada no QGIS e (ou) ArcGIS 10.4. Para mapear a alteração da cobertura
vegetal do Pontal nos últimos 30 anos, serão consultados trabalhos que comparem
os diferentes índices de vegetação, e será empregado aquele recomendado pela
literatura.
Deve-se salientar que o NDVI tem sido um índice muito utilizado para o
mapeamento da cobertura vegetal (TSUYUGUCHI et al., 2010; CASTRO et al.,
2013; BARBOSA e DORIGON, 2014; SANTOS e OLIVEIRA, 2015).
Segundo Jensen (2011), o NDVI é estimado com base na equação 01:
NDVI = (NIR – R) / (NIR + R) (1)
3 Disponível em: <http://www.dpi.inpe.br/spring/portugues/index.html>
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Em que:
NIR é a refletância no comprimento de onda correspondente ao
Infravermelho Próximo (0,76 a 0,90 μm);
R é a refletância no comprimento de onda correspondente ao Vermelho
(0,63 a 0,69μm).
Quanto ao mapeamento da temperatura, de acordo com Jensen
(2011), a temperatura de superfície diz respeito ao fluxo de calor dado em função da
energia que chega e sai do alvo, sendo de suma importância para o entendimento
das interações entre a superfície terrestre e a atmosfera. A faixa espectral que
permite uma maior transmissão da energia emitida da Terra registrada pelo sensor é
a região do infravermelho termal, cujo intervalo é de 8,0 a 14,0 µm (micrometro)
(STEINKE et al., 2010). Para mapear a variação de temperatura de superfície na
região do Pontal, nos últimos 30 anos, serão consultadas abordagens como a
empregada por Osco et. al (2015).
Para a extração da temperatura de superfície, um dos métodos que
será utilizado é um plugin4 oferecido pelo software QGIS (FIGURA 5), desenvolvido
com a finalidade de extrair a temperatura de superfície de uma imagem orbital
infravermelha (sensor TIR - Thermal InfraRed) adquirida nos satélites das séries
Landsat 5 TM, Landsat 7 ETM+ e Landsat 8 TIRS.
FIGURA 5 - QGIS Land Surface Temperature Estimation (LTS) Plugin
4 QGIS Land Surface Temperature Estimation (LTS) Plugin
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Fonte: QGIS.
6.2.3 Produção de mapas temáticos
Para a produção dos mapas temáticos, seja de variação da cobertura
vegetal ou de alteração de temperatura de superfície, serão aplicados os conceitos
de projeto cartográfico (Sluter, 2008) e de Cartografia temática descritos em
Martinelli (2011) e Menezes e Fernandes (2013) visando a eficiência do processo de
comunicação cartográfica. A partir desses mapas temáticos será possível uma
análise quali-quantitativa das áreas do Pontal do Paranapanema.
Vale ressaltar que os resultados representados nos mapas temáticos,
seja para a cobertura vegetal ou temperatura, serão validados a partir de dados de
campo sempre que oportuno. Além disso, os dados de temperatura extraídos das
imagens orbitais serão validados com os dados meteorológicos disponibilizados pela
FCT/UNESP – INMET.
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7 CRONOGRAMA
No Quadro 1 tem-se um cronograma de execução das atividades da
pesquisa, a qual tem início previsto para o mês de março do ano de 2017 e previsão
de término em fevereiro de 2019.
Quadro 1 – Cronograma de pesquisa.
ATIVIDADES SEMESTRE1º 2º 3º 4º
Obtenção de Créditos X X Revisão de Literatura X X X XLevantamento dos dados X Treinamento nos softwares X X Preparação da base de dados X X Pré-processamento dos dados X Processamento dos dados X X Geração do mapa de uso X Geração do mapa de temperatura X Análise dos resultados X Participação em eventos X X X XExame de qualificação X X Defesa da dissertação X
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REFERÊNCIAS
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