avaliação do albedo em diferentes tipos de uso e cobertura...

Avaliação do albedo em diferentes tipos de uso e cobertura da terra no sudoeste da Amazônia

Gabriel de Oliveira 1

Elisabete Caria Moraes 1 Yosio Edemir Shimabukuro 1

Bernardo Friedrich Theodor Rudorff 1 Regina Célia dos Santos Alvalá 2

Tiago Veloso dos Santos 1

1 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE CEP 12227-010 - São José dos Campos - SP, Brasil

{gdo, bete, yosio, bernardo}@dsr.inpe.br [email protected]

2 Centro Nacional de Monitoramento e Alertas de Desastres Naturais

CEP 12630-000 - Cachoeira Paulista - SP, Brasil [email protected]

Abstract. The Amazon region has been focus of attention due to the effects that large-scale deforestation can cause on local, regional and global climate. Several field experiments have been conducted in this region to obtain information related to energy exchange between land surface and atmosphere. However, these experiments are concentrated in a few test sites due to the high cost involved in the data acquisition. The present study aimed to estimate the albedo under different land use and land cover types for two dates (29/07/2002 and 01/08/2003), using data from ASTER/Terra sensor, for an area located in the south-western part of the Brazilian Amazon. ASTER/Terra images, referring to the product of surface reflectance (AST07XT), were used and the albedo was calculated according to the algorithm developed by Liang (2001). The estimates of albedo showed to be consistent with the spatial distribution and are in agreement with values found in other studies using orbital data in similar land use and land cover types. Moreover, albedo values obtained for homogeneous areas of forest and pasture were consistent with meteorological studies performed under these conditions in the Amazon region. The proposed methodology allowed to estimate and to analyse the surface albedo in the Amazon with a fine spatial resolution (15 m), that may work as an alternative methodological approach for studies related to the biosphere-atmosphere interaction in this region. Palavras-chave: radiação solar, dados ASTER/Terra, Rondônia, sensoriamento remoto, solar radiation, ASTER/Terra data, Rondônia, remote sensing. 1. Introdução

A Amazônia constitui-se num bioma em rápida marcha de mudanças, em virtude principalmente do progressivo avanço econômico sobre suas florestas (Michiles, 2009). Não obstante, essa região tem sido foco de atenção pelos efeitos que o desmatamento em grande escala pode causar no clima local, regional e global. Dentre os fatores que determinam o clima de uma região, os principais são: topografia, latitude, circulação geral da atmosfera e a natureza da superfície. Com relação a este último, o crescente interesse nas possíveis alterações climáticas decorrentes da substituição das florestas tropicais por outros tipos de cobertura vegetal tem levado ao desenvolvimento de estudos com vistas a retratar com maior precisão os mecanismos que governam a interação solo-vegetação-atmosfera neste ambiente (Souza Filho et al., 2006).

A radiação solar é a principal fonte de energia para todos os processos físicos e biológicos ocorrentes na biosfera. O albedo é a capacidade que cada superfície possui de refletir radiação solar, cujos valores variam com as características de cada superfície, radiação solar direta e difusa que chega a superfície e o ângulo de incidência dos raios (Oke, 1987). Dada a importância do albedo no que diz respeito à quantidade de energia disponível na superfície a

Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE

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ser utilizada para os processos de aquecimento do ar e evaporação, diversos experimentos meteorológicos já foram realizados na região amazônica de modo a analisar esse parâmetro em áreas de floresta e pastagem (Von Randow et al., 2004; Querino et al., 2006). No entanto, esses experimentos são concentrados somente em algumas áreas testes pelo fato de exigirem um grande aparato instrumental e, consequentemente, um custo muito elevado.

O sensoriamento remoto orbital tem se apresentado nos últimos anos como uma ferramenta promissora para avaliações tanto no aspecto meteorológico quanto climático (Taghvaeian e Neale, 2011). Neste sentido, a estimativa do albedo da superfície pode ser realizada a partir de dados de sensoriamento remoto por diversos algoritmos, partindo-se dos valores de reflectância da superfície contidos nas bandas espectrais de distintos sensores (Liang, 2001).

O presente estudo teve como objetivo gerar estimativas de albedo, com uso de dados do sensor Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER/Terra), para uma área no sudoeste da Amazônia brasileira, bem como analisar o comportamento dessa variável em diferentes tipos de uso e cobertura da terra para duas datas (29/07/2002 e 01/08/2003). 2. Metodologia de Trabalho 2.1 Área de estudo

A área de estudo está localizada na porção centro-leste do estado de Rondônia (Figura 1), entre as latitudes 10º 39’ 38’’ S e 10º 51’ 42’’ S e longitudes 62º 24’ 04’’ W e 62º 03’ 04’’ W, englobando parte dos municípios de Ji-Paraná, Nova União, Ouro Preto do Oeste e Teixeirópolis. Cabe destacar que a área de estudo compreende aproximadamente 85.087,00 hectares e engloba um mosaico variado de tipos de uso e cobertura da terra, como floresta tropical, pastagem, corpos de água, afloramentos rochosos, solo exposto, entre outros.

Figura 1. Localização da área de estudo no estado de Rondônia. A composição colorida foi obtida com dados do sensor MODIS/Terra (MOD09GQ) de 25/07/2003.


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2.2 Dados orbitais ASTER/Terra Os dados ASTER/Terra foram obtidos no âmbito do Projeto “Remote sensing applied to

study of net radiation in Brazilian Amazon”, aprovado junto ao Land Processes Distributed Active Archive Center (LPDAAC)/United States Geological Survey (USGS). Foram utilizadas duas imagens da órbita/ponto 231/067 dos dias 29/07/2002 e 01/08/2003 referentes ao produto AST07XT - Surface Reflectance (VNIR, SWIR) - Crosstalk Corrected. O produto AST07XT corresponde à reflectância da superfície para as bandas 1 a 3 e 5 a 10, com resolução espacial de 15 m para as bandas do VNIR (1 a 3) e de 30 m para as bandas do SWIR (5 a 10). Na Tabela 1 são apresentadas informações referentes ao imageamento, como o horário, distância relativa Terra-Sol e ângulo de elevação solar. Tabela 1. Data das imagens ASTER, horário (GMT e local), quadrado da distância relativa Terra-Sol (dr) e ângulos de elevação (º) e zenital do sol (º) para o instante de passagem do satélite na área de estudo.

Com relação ao processamento das imagens, inicialmente foi realizada a reamostragem dos pixels das bandas 5 a 10 pelo método do vizinho mais próximo. Essa reamostragem foi realizada para padronizar a resolução espacial das estimativas de albedo com uso de dados ASTER em 15 m. Posteriormente as imagens ASTER foram corrigidas geometricamente a partir de uma imagem Geocover/Landsat 2000 (quadrícula: S-20-10_2000), disponibilizada pela NASA no site http://zulu.ssc.nasa.gov/mrsid/. Para tanto, no programa ENVI 4.5, foram coletados, em média, 25 pontos de controle para cada imagem ASTER a ser corrigida geometricamente, considerando-se que o erro médio quadrático não fosse maior que 1 pixel, ou seja, 15 metros. O algoritmo utilizado foi o polinomial linear de primeira ordem e o método foi o do vizinho mais próximo. Nessa etapa se definiu como padrão os seguintes parâmetros de projeção: UTM e datum WGS 84. Com as imagens processadas, foi definido o retângulo envolvente e efetuadas operações de mascaramento de nuvens, que consistiram na identificação visual dessas áreas e sua delimitação através de digitalização no programa ENVI 4.5. Cabe salientar que foi verificada a presença de nuvens apenas no dia 01/08/2003, no entanto, a fim de padronizar as estimativas geradas, optou-se por utilizar esta máscara também no dia 29/07/2002. 2.3 Estimativas do albedo da superfície

O albedo é definido como a razão entre a radiação eletromagnética refletida pela superfície e a incidente nesta superfície integradas ao longo de todo o espectro solar. As estimativas de albedo no presente estudo se deram de acordo com o estudo de Liang (2001). Esse autor, baseando-se em simulações de transferência radiativa realizadas com o MODTRAN, propôs expressões para obtenção do albedo de superfície a partir dos canais de vários sensores (ASTER, AVHRR-14, ETM+, MODIS), comparando os resultados com medidas de laboratório. Para o sensor ASTER, o albedo foi calculado de acordo com a seguinte equação:

s 1 2 3 5 6

7 8 10

0,820 0,183 0,034 0,085 0,2980,352 0,239 0,240 0,001

(1)

Data Dia juliano Hora GMT Hora local dr Ângulo de elevação solar (º)

Ângulo zenital solar (º)

51,4212

51,5263

38,6923

38,5873

0,9706

0,9714

29/07/2002 14:34:09 10:34:09

14:31:38 10:31:3801/08/2003

210

213


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em que s é o albedo da superfície e i (i=1 a 10) é a reflectância da superfície correspondente as bandas “i” do ASTER. 3. Resultados e Discussão

A avaliação dos resultados se deu primeiramente a partir da análise das imagens. Posteriormente, com intuito de analisar de maneira mais detalhada as estimativas para diferentes tipos de uso e cobertura da terra foram selecionadas seis áreas homogêneas com tamanho de 24 pixels cada, representando: floresta ombrófila aberta (10º 47’ 32’’ S e 62º 04’ 37’’ W), vegetação secundária (10º 41’ 45’’ S e 62º 04’ 01’’ W), pastagem (10º 47’ 04’’ S e 62º 21’ 28’’ W), campo sujo (10º 49’ 13’’ S e 62º 11’ 54’’ W), solo exposto (10º 49’ 07’’ S e 62º 13’ 24’’ W) e corpo de água (10º 41’ 51’’ S e 62º 15’ 19’’ W). Para cada área, em ambas as datas estudadas (29/07/2002 e 01/08/2003), foram extraídos os valores dos pixels para cada imagem de albedo e computadas estatísticas descritivas básicas (média, mínimo, máximo e desvio padrão). A Figura 2 ilustra a localização dessas áreas.

Figura 2. Área de estudo, situada na porção centro-leste do estado de Rondônia, em imagem ASTER/Terra (composição R3G2B1) de 29/07/2002, com a localização das áreas homogêneas selecionadas para análise.

A Figura 3 mostra a distribuição espacial do albedo na área de estudo nos dias 29/07/2002 e 01/08/2003. Os valores de albedo no dia 29/07/2002 variaram entre 0,023 e 0,492, enquanto no dia 01/08/2003 variaram entre 0,045 e 0,432. Os valores médios de albedo para as imagens dos dias 29/07/2002 e 01/08/2003 foram 0,148 e 0,174, respectivamente. Isso demonstra que a imagem de 01/08/2003 apresentou um valor médio 17,6% superior ao da imagem de 29/07/2002.


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Figura 3. Distribuição espacial do albedo na área de estudo. A) Dia 29/07/2002 e B) Dia 01/08/2003.


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De modo geral, nas imagens, os menores valores de albedo estão associados a corpos de água e áreas de queimada, enquanto os maiores valores estão relacionados a áreas de pastagem com vegetação rala e solo exposto. Na imagem de 2002 as áreas de pastagem estão representadas por tonalidades verde-claras e amarelas e as áreas de vegetação arbórea (floresta ombrófila aberta e vegetação secundária) por cor azul escuro. Em 2003, por conseguinte, as áreas de pastagem apresentam tons amarelos, alaranjados e vermelhos, enquanto as áreas de vegetação arbórea estão representadas por cor azul celeste. É perceptível a variação nos valores de albedo nas duas imagens, apesar delas serem de datas próximas e apresentarem praticamente o mesmo ângulo zenital solar, como visto na Tabela 1. Nesse sentido, verificou-se o aumento dos valores de albedo em 01/08/2003, mais evidente nas áreas de pastagem e vegetação. Em um estudo realizado no nordeste da Amazônia, Souza Filho et al. (2006) mostraram que o albedo da superfície em períodos mais chuvosos é inferior ao observado durante períodos menos chuvosos. Assim, esta diferença pode estar relacionada a fatores meteorológicos, como precipitação.

A Tabela 2 apresenta os valores de albedo nas áreas homogêneas selecionadas para análise na área de estudo nos dias 29/07/2002 e 01/08/2003. Os valores médios de albedo para a área de floresta ombrófila aberta foram de 0,118 e 0,128 para 29/07/2002 e 01/08/2003, respectivamente. Liberato (2011) em um estudo na região central de Rondônia, utilizando imagens TM/Landsat 5, encontrou valores médios de albedo em áreas de floresta nativa variando entre 0,12 (13/07/2005) e 0,13 (16/07/2006). Santos et al. (2011), também com o uso de imagens TM/Landsat 5, analisaram imagens de quatro datas e encontraram um valor médio de albedo para áreas de floresta na Amazônia de 0,11. Ao comparar os resultados aqui obtidos com estudos micrometeorológicos na região amazônica, verifica-se que as estimativas de albedo foram muito consistentes. Estudos realizados por Bastable et al. (1993), Ribeiro (1994) e Culf et al. (1995) em áreas de floresta na Amazônia apresentaram valores de 0,122, 0,14 e 0,131, respectivamente. Querino et al. (2006) encontraram para a estação seca, no sítio experimental da Reserva Biológica do Jaru (RO), valor médio de albedo de 0,13. Tabela 2. Valores estatísticos de albedo para as áreas homogêneas selecionadas na área de estudo.

O albedo médio na área de vegetação secundária variou de 0,144 (29/07/2002) para 0,178 (01/08/2003). A vegetação secundária tende, com o passar do tempo, a apresentar menores valores de albedo, porém, no presente estudo foi verificada uma situação inversa, que pode estar relacionada a dois fatores: condições ambientais distintas nas datas avaliadas (período mais seco em 01/08/2003); e a vegetação pode ter sofrido algum tipo de alteração, como corte

Data Área selecionada Média Mínimo Máximo Desvio padrãoFloresta Ombrófila Aberta 0,118 0,100 0,133 0,008Vegetação Secundária 0,144 0,133 0,152 0,004Pastagem 0,167 0,161 0,180 0,006Campo Sujo 0,090 0,081 0,102 0,006Solo Exposto 0,181 0,169 0,193 0,007Corpo de Água 0,041 0,032 0,064 0,008Floresta Ombrófila Aberta 0,128 0,105 0,154 0,014Vegetação Secundária 0,178 0,164 0,188 0,007Pastagem 0,181 0,177 0,191 0,004Campo Sujo 0,116 0,106 0,125 0,005Solo Exposto 0,216 0,208 0,222 0,003Corpo de Água 0,060 0,054 0,071 0,005

29/0

7/20

0201

/08/

2003


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de algumas árvores, o que ocasionou uma maior interferência do solo e, consequentemente, aumentou os valores de albedo. Em média, o albedo da área de vegetação secundária (0,161) foi 30,9% superior ao da área de floresta ombrófila aberta (0,123).

Na área de pastagem os valores médios de albedo foram 0,167 (29/07/2002) e 0,181 (01/08/2003), o que corresponde a um albedo médio de 0,174 (≈41% superior ao da área de floresta nativa). Esses valores estão de acordo com alguns estudos. Liberato (2011) encontrou para áreas de pastagem em RO valores médios de 0,15, 0,16 e 0,17, em 13/07/2005, 30/06/2006 e 17/06/2006, respectivamente. Santos et al. (2011) obtiveram na mesma região valores médios de albedo de 0,19 e 0,22, para os dias 22/07/2008 e 07/08/2008, respectivamente. Mais especificamente, esses resultados também estão de acordo com estudos observacionais em áreas de pastagem na região amazônica. Sob o âmbito do projeto ABRACOS, Bastable et al. (1993), Fisch et al. (1994) e Culf et al. (1995) encontraram valores de albedo da ordem de 0,163, 0,19 e 0,18, respectivamente, o que corresponde, na média, a 0,178. Assim, o valor médio obtido na área de pastagem pelo presente estudo (0,174) é 2,3% inferior ao valor médio verificado nos estudos observacionais anteriormente citados. Ainda, Von Randow et al. (2004), em estudo no sítio experimental da Fazenda Nossa Senhora Aparecida (RO), obtiveram valor médio de albedo igual a 0,20.

A área de campo sujo apresentou albedo médio de 0,103, valor que está de acordo com Pereira et al. (2007), que obtiveram valor médio de albedo de 0,11 para áreas de campo sujo na região de Passo do Lontra (MS). A área de solo exposto apresentou os maiores valores médios de albedo. Na média, o albedo dessa área variou 19,3%, passando de 0,181 (29/07/2002) para 0,216 (01/08/2003). Tais valores são inferiores aos obtidos por Chandrapala e Wimalasuriya (2003), que obtiveram albedo em áreas de solo exposto superiores a 0,30. Porém estão de acordo com o estudo de Bezerra (2009), que sugeriu para estas áreas valores entre 0,20 e 0,25.

No corpo de água analisado, o albedo variou entre 0,032 e 0,071. Na média, para as duas datas, o albedo correspondeu a 0,051, consistente com os valores obtidos por Meirelles (2007) e Nicácio (2008), que sugeriram valores de albedo de corpos de água variando de 0,03 a 0,10 e 0,03 a 0,09, respectivamente. 4. Conclusões

As estimativas de albedo mostraram coerência na distribuição espacial e concordância com os valores encontrados por outros estudos utilizando dados orbitais em tipos de uso e cobertura da terra semelhantes. Ainda, os valores de albedo obtidos para as áreas homogêneas de floresta e pastagem foram consistentes com estudos micrometeorológicos realizados sob essas condições na região amazônica. A utilização de dados do sensor ASTER/Terra, com base no algoritmo de Liang (2001), possibilitou a estimativa e análise do albedo da superfície na Amazônia com uma resolução espacial bastante refinada (15 m), podendo funcionar como uma alternativa metodológica para estudos relacionados à interação biosfera-atmosfera nessa região. Agradecimentos Ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais e a Coordenação de Aperfeiçoamento Pessoal de Nível Superior (CAPES) pela bolsa de mestrado concedida ao primeiro autor. Referências Bibliográficas Bastable, H. G.; Shuttleworth, W. J.; Dallarosa, R. L. G.; Fisch, G.; Nobre, C. A. Observations of climate, albedo, and surface radiation over cleared undisturbed Amazonian forest. International Journal of Climatology, v. 13, n. 7, p. 783-796, 1993.


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