Universidade Federal de Campina Grande – UFCG

Relatório Técnico – Projeto CISA

Estudante: John Elton de Brito Leite Cunha

Coordenador UFCG: Prof. Carlos de Oliveira Galvão

Coordenador geral do projeto: Prof. Jaime Joaquim Pereira Cabral

Janeiro de 2011

Apresentação

O presente relatório descreve as atividades realizadas pelo estudante da Pós-

Graduação em Engenharia Civil e Ambiental da UFCG, John Elton de Brito Leite Cunha, entre

01 de outubro de 2010 e 20 de dezembro de 2010 no Instituto Superior de Agronomia da

Universidade Técnica de Lisboa em Lisboa, Portugal.

Essas atividades fazem parte do desenvolvimento da dissertação de mestrado do aluno

supracitado, intitulada “Utilização da detecção remota para estimativa do balanço de

energia e evapotranspiração em regiões semiáridas” e tiveram o acompanhamento

acadêmico da Prof.ª Fernanda Maria dos Reis Torroaes Valente, professora do Instituto

Superior de Agronomia - ISA. O acompanhamento foi realizado através de reuniões semanais

realizadas para avaliar o planejamento das atividades e discussão dos resultados.

Esta ação está inserida no projeto intitulado “Cooperação Internacional do SemiÁrido

(CISA), na sua Meta 2 “Treinamento, capacitação e formação de recursos humanos na gestão

dos recursos hídricos de regiões semiáridas”, atividades 4 a 8 (“Cursos-estágios de curta

duração”)”.

O projeto CISA, financiado pelo Ministério da Ciência e Tecnologia (instrumento

contratual FINEP nº 01.07.0049.00), é coordenado pelo Prof. Jaime Joaquim Pereira Cabral,

do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Pernambuco.

Sumário

1. Introdução ............................................................................................................................. 5

2. Breve fundamentação teórica sobre o algoritmo SEBAL ...................................................... 6

3. Atividades desenvolvidas ...................................................................................................... 9

3.1 Aplicação do algoritmo SEBAL ....................................................................................... 9

3.2 Experimento de campo ............................................................................................... 10

3.3 Reuniões para aquisição de equipamentos ................................................................ 12

3.4 Apresentação para os pesquisadores do ISA .............................................................. 13

3.5 Participação em eventos e visita técnica .................................................................... 13

4. Considerações finais ............................................................................................................ 14

5. Bibliográfia ........................................................................................................................... 14

Lista de figuras

Figura 1 – Áreas secas da região do Mediterrâneo (Isendahl & Schmidt, 2006). ................................... 5

Figura 2 – Fluxograma das etapas do algoritmo SEBAL, em (A) saldo de radiação e em (B) balanço de

energia. .................................................................................................................................................... 7

Figura 3 – Divisão política de Portugal (A) e localização da área de estudo (B). ..................................... 9

Figura 4 – Torre a ser desmontada ....................................................................................................... 11

Figura 5 – Prof.ª Fernanda Valente em (A) e John Cunha em (B) arrodeados por equipamento. ........ 11

Figura 6 – Olival em (A) e montagem da torre em (B). ......................................................................... 11

1.Introdução

Os bosques de carvalho evergreen representam 33% da área de florestas portuguesas.

Eles têm uma cobertura vegetal esparça, sobre o campo nativo (ou uma pastagem cultivada

de sequeiro), que recorretemente se desenvolve em um matagal. Eles estão localizados

principalmente em áreas do sul de Portugal e Espanha, com um clima mediterrâneo. Nessas

áreas, a demanda evaporativa é superior à precipitação anual e a estação seca (verão) tem a

duração de vários meses (Paço et al., 2009). Secas naturais são recorrentes e a severidade da

seca está aumentando e pode ser ainda agravado devido às alterações climáticas e a

ação humana (Isendahl & Schmidt, 2006).

Figura 1 – Áreas secas da região do Mediterrâneo (Isendahl & Schmidt, 2006).

Portanto, as respostas destes bosques de carvalho ao estresse hídrico é uma questão

importante. Além disso, a quantificação da evapotranspiração de referência destes

ecossistemas é critica para uma correta avaliação dos recursos hídricos locais.

Diversas pesquisas estão sendo desenvolvidas no Instituto Superior de Agronomia,

com o objetivo de determinar a evapotranspiração real destes ecossistemas (Paço et al.,

2009; Pereira et al., 2009, Pereira et al., 2009; David et al., 2007). Entre as técnicas utilizadas

podemos destacar covariância turbulenta (Eddy covariance) e fluxo de seiva (sap flow).

Apesar de estas técnicas representarem de forma satisfatória os processos

evapotranspirativos, o uso destes métodos em escala regional fica praticamente impossível

de ser efetivado. Uma alternativa é o uso de técnicas de sensoriamento remoto baseadas

em imagens de satélites.

Atualmente existem diversos sensores remotos com resoluções espaciais, temporais e

espectrais diferentes, que vem sendo utilizados para estimativa de componentes

agrometeorológicos (Allen et al., 2007 ; Courault et al., 2009 ; Giacomoni e Mendes, 2008;

Mecikalski et al., 1999).

O Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) (Bastiaanssen, 1998), é um dos

diversos algoritmos utilizados para extrair informações de sensores orbitais. Através deste

algoritmo, é possível estimar evapotranspiração real (ETr). O SEBAL é um algoritmo de base

física e para sua utilização são necessárias imagens com informações de reflectância no

visível, infravermelho próximo, bandas do infravermelho médio, emissividade, assim como

da faixa do infravermelho termal. Devido à influência das variações topográficas sobre os

componentes do balanço de energia, faz-se preciso também um modelo de elevação digital

(DEM) com a mesma resolução espacial das imagens de satélite (Hong et al., 2009). Para o

algoritmo, são ainda utilizados dados de estação meteorológica presentes na área de

estudo.

As atividades desenvolvidas no intercâmbio tiveram como objetivo avaliar os produtos

obtidos pelas técnicas de processamento digital de imagens, com a finalidade de obtenção

dos componentes do balanço de energia e evapotranspiração real. Para a avaliação utilizou-

se os dados disponíveis das pesquisas desenvolvidas no Instituto Superior de Agronomia.

2. Breve fundamentação teórica sobre o algoritmo SEBAL

As técnicas de sensoriamento remoto têm gerado resultados satisfatórios no âmbito

dos recursos naturais e gerenciamento dos recursos hídricos (Bastiaanssen et al., 1998). A

quantificação das perdas de água para a atmosfera de superfícies cultivadas é muito valiosa

no planejamento de atividades agrícolas e no gerenciamento dos recursos hídricos de uma

bacia hidrográfica (Silva & Bezerra, 2006). Dentre as parcelas que compõem o ciclo

hidrológico, a evapotranspiração (ET) é uma das que apresenta maior incerteza (Giacomoni

& Mendes, 2008).

A partir de imagens de sensores orbitais e dados de estações meteorológicas situadas

na área de estudo é possível calcular o balanço de energia e a evapotranspiração real de

cada pixel da imagem. Para este algoritmo são necessários alguns procedimentos

computacionais de processamento digital de imagens, pois todas as operações são

realizadas “pixel a pixel” nas diferentes bandas espectrais das imagens de satélite

selecionadas. O fluxograma da Figura 2A mostra as etapas metodológicas para utilização do

algoritmo SEBAL para obtenção do saldo de radiação. As etapas de obtenção do saldo de

radiação estão descritas em Silva et al. (2005) e Di Pace et al. (2008). A equação clássica do

balanço de energia à superfície, segundo Bastiaanseen (2000) é dada por:

GHLER n ++λ= (1)

Em que, Rn é o saldo de radiação, λLE a densidade do fluxo de calor latente, H a

densidade de fluxo de calor sensível e G a densidade de fluxo de calor no solo, todos em

(W/m2).O fluxo de calor do solo (G) depende das condições de cobertura do solo. No SEBAL,

o cálculo do mesmo é determinado em função do NDVI, temperatura da superfície, albedo e

Rn.

A. B.

Figura 2 – Fluxograma das etapas do algoritmo SEBAL, em (A) saldo de radiação e em (B) balanço de energia.

A transferência de energia para camadas atmosféricas (H) foi estimada com base na

velocidade do vento e temperatura da superfície usando uma calibração interna da

diferença da temperatura próxima à superfície entre dois níveis da superfície segundo

Bastiaanssen et al. (1998):

( )ah

sp r

bTaρcH

+= (2)

Onde: ρ é a densidade do ar (1,15 kgm-3), cp é o calor específico do ar (1004 Jkg

- 1K

-1), a

e b são constantes de calibração da diferença de temperatura, Ts é a temperatura da

superfície (°C) e rah é a resistência aerodinâmica ao transporte de calor (sm-1). É possível

encontrar de forma detalhada os procedimentos metodológicos nos trabalhos de

Bastiaanssen et al. (1998) e Bastiaanssen (2000).

O equacionamento para a determinação do balanço de energia obtido a partir do

algoritmo SEBAL é apresentado na Figura 2B. Este é iniciado com dados de uma estação

meteorológica no interior da cena estudada, quais sejam: a velocidade do vento (ms-1) no

nível de 2 metros e a altura média da vegetação (m) circundante no local da medição da

velocidade do vento. Estes dados devem ser coletados para o dia da passagem do satélite

pelo local e o horário das cenas em estudo.

O fluxo de calor latente λLE (W/m2) corresponde ao fluxo de massa (água sob a forma

de vapor) que deixa a superfície, através dos processos evaporação somados ao de

transpiração vegetal, sua determinação é obtida como resíduo da equação do Balanço de

Energia (Equação 1), onde os fluxos correspondem ao instante da passagem do satélite.

Para a determinação da evapotranspiração diária, obtém-se, inicialmente, a

evapotranspiração horária (ETH), dada pela razão entre o fluxo de calor latente, λLE, obtido

pela operação anterior, e o calor latente de vaporização da água (L = 2,45 x 106 J kg-1),

multiplicada por 3600, que é um fator de conversão do valor instantâneo para valor horário,

conforme equação Allen et al. (2002), Trezza (2002). Em seguida, pela razão entre a ETH e

evapotranspiração de referencia horária (ET0,h), se obtém a fração da evapotranspiração de

referência horária (FET0, hora), que de acordo com Trezza (2002) é relativamente constante

em todo o período dia (24 horas). A evapotranspiração real é determinada pela

multiplicação da FET0, hora pela a evapotranspiração de referência diária (ET0, 24h).

Tanto a evapotranspiração de referência diária (ET0,24h), quanto à evapotranspiração

de referência horária – ET0, hora, são calculadas usando o método da FAO Penman-Monteith

(Allen et al., 1998), com dados de estação automática. Os valores de ET0,h devem ser obtidos

no intervalo de tempo que compreenda o instante da passagem do satélite na área de

estudo.

3. Atividades desenvolvidas

3.1 Aplicação do algoritmo SEBAL

Diante dos diversos experimentos realizados pelo instituto Superior de Agranomia, a

escolha da área de estudo partiu da necessidade de aplicar o algoritmo para uma área

semelhante ao semiárido brasileiro. A área experimental escolhida é do tipo savana,

azinheiras esparsas tipo perene (Q. ilex ssp. rotundifolia Lam.),

localizada na Herdade da Alfarrobeira, no distrito de Évora, Portugal, o local do experimento

é intitulado Mitra II (Figura 3) (38⁰ 32’ N ; 8⁰00’ W , 256 m de altitude). A topografia do

terreno é ligeiramente ondulada e o clima é mediterrâneo, com invernos suaves e húmidos e

verões quentes e secos. A precipitação média anual é de 669 mm e a média da temperatura

do ar é em torno 15⁰C (Paço et al., 2009).

Figura 3 – Divisão política de Portugal (A) e localização da área de estudo (B).

Durante a aplicação do algoritmo percebemos a necessidade de atualizarmos algumas

etapas de processamento, as etapas atualizadas foram radiância (Chander et al., 2010),

reflectância (Tasumi et al., 2008), albedo da superfície (Tasumi et al., 2008) e temperatura

da supefície (Jiménez-Muñoz et al., 2009). Com essas atualizações introduzidas no cálculo do

saldo de radiação (Rn), obtivermos um erro menor que 1%, quando comparamos os valores

obtidos no campo (Paço et al., 2009) com os calculados pelas imagens do satélite Landsat 5.

Para as etapas de Fluxo de calor no solo (G), fluxo calor sensível (H) e fluxo do calor

latente (LE) foi mantido o processamento original do SEBAL descrito em Bastiaanssen et al.

(1998) e Bastiaanssen (2000). Os resultados mostram que o algoritmo subestima o fluxo do

calor sensível (H) e consequentemente superestima o fluxo do calor latente (LE), isto quando

comparamos com as medições feitas no experimento Mitra II, que utilizou a técnica de

covariância turbulenta.

Investigando as possíveis fontes de erro, percebemos deficiência na equação de

resistência aerodinâmica (Rah), que não contempla o deslocamento da altura (d0), necessário

no cálculo da resistência aerodinâmica para florestas. O algoritmo SEBAL foi validado para

muitas partes do mundo (Bastiaanseen 2000, Allen et al., 2007), e essas validações foram

sempre feitas para áreas agrícolas, onde não é necessária a inclusão da variável d0 nos

cálculos.

3.2 Experimento de campo

Com o objetivo de proporcionar ao aluno uma maior compreensão sobre as medições

dos componentes agrometeorologicos. No período de 20 a 22 de outubro, o aluno

participou da montagem de um experimento, onde foi instalada uma torre para medição dos

componentes agrometeorologicos.

A atividade iniciou com a desmontagem da torre que estava instalada em outro

experimento próximo ao distrito de Lisboa. A Figura 4 ilustra a torre a ser desmontada, a

professora Fernanda Valente e o funcionário do ISA Sr. Kin. Durante está atividade o

estudante pode observar outros experimentos que estavam sendo realizados neste local,

onde foi permitido subir na torre e ver os intrumentos de medição (Figura 5).

Figura 4 – Torre a ser desmontada

A. B.

Figura 5 – Prof.ª Fernanda Valente em (A) e John Cunha em (B) arrodeados por equipamento.

As outras atividades envolvidas foram à limpeza dos equipamentos, transporte até o

local do experimento, montagem da torre e instalação dos aparelhos. O local escolhido para

montagem do experimento foi um olival (Figura 6), no munícipio de Castelo Branco.

A. B.

Figura 6 – Olival em (A) e montagem da torre em (B).

3.3 Reuniões para aquisição de equipamentos

Com o objetivo de modernizar a instrumentação utilizada na bacia escola de São João

do Cariri, foram realizadas reuniões entre os pesquisadores John Cunha (UFCG), prof. Carlos

Galvão (UFCG) e prof.ª Fernanda Valente (ISA), os encontros foram realizados em Lisboa, no

Instituto Superior de Agronomia, e contaram também com a participação dos pesquisadores

prof.ª Iana Rufino (UFCG) e prof. Bernado B. Silva (UFCG), que contribuirão por e-mails.

Como produto das discurssões a Universidade Federal de Campina Grande, adquiri

através do projeto Cariri – CT/Hidro, o parelho cintilômetro, que têm sua instalação prevista

para o segundo semestre de 2011. Os cintilômetros permitem estudos de turbulência,

qualidade do ar e dispersão atmosférica, média espaciais da velocidade do vento, balanço de

energia, monitoramento da evapotranspiração, agrometeorologia e meteorologia florestal.

Eles são divididos em dois grupos, os que trabalham com curtas distâncias (50 a 250 metros)

e os que trabalham com distâncias maiores (250 a 12.000 metros).

Mais especificamente para as aplicações de monitoramento do balanço de energia e

evapotranspiração que envolvem os produtos obtidos pelas técnicas de processamento

digital de imagens (PDI), o aparelho permite obter a verdade de campo, tendo como dado de

saída o fluxo de calor sensível, a partir dele e dos dados de saldo de radiação e fluxo de calor

no solo obtido por uma estação meteorológica é possível chegar a evapotranspiração real

para distâncias de 50 a 12.000 metros. Para este tipo de aplicação o aparelho fornece

também outros dados interessantes, como o comprimento de Obukhov, taxa de dissipação

de energia cinética turbulenta, velocidade do vento e parâmetros da estrutura de flutuações

da temperatura.

A empresa que vai fornecer o aparelho é a SCINTEC, escolhida por ser a melhor neste

tipo de equipamento, entre os diversos modelos de aparelhos disponíveis escolhemos BLS

450, que permite obter as variáveis climatológicas para distâncias que variam de 500 a 6.000

metros, está escala de medição é a mais adequada para as aplicações com sensoriamento

remoto de alta resolução temporal (tempo de revisita menor que um dia), os sensores

abordo destes satélites possuem resolução espacial maior que 1 km, dessa maneira poderá

ter a verdade de campo para uma amostra de pixels da imagem.

A Universidade Federal de Campina Grande tornasse a primeira instituição do Brasil a

adquirir este equipamento, podendo aperfeiçoar os trabalhos desenvolvidos pelos grupos de

pesquisa das áreas de recursos hídricos e meteorologia que trabalham com hidrologia do

semiárido.

3.4 Apresentação para os pesquisadores do ISA

No dia 10 de novembro de 2010 o aluno John Cunha, fez uma apresentação no

auditório Florestal do Instituto Superior de Agronomia, com o título “Utilização da detecção

remota para estimar a distribuição espacial do balanço de energia e a evapotranspiração em

regiões semiáridas”. Na oportunidade foi apresentado para os pesquisadores do ISA temas

como o projeto CISA, a UFCG, projetos da UFCG, a metodologia sobre a proposta de trabalho

no intercâmbio e na dissertação do aluno e resultados de trabalhos anteriores.

3.5 Participação em eventos e visita técnica

Durante o período de intercâmbio o aluno John Cunha participou na forma de ouvinte

de congresso, workshop, conferência e visita técnica. Esses eventos aconteceram na cidade

de Lisboa, Portugal.

No período de 27 a 28 de outubro de 2010, participou do IV Congresso Internacional

de Ordenamento do Território: "Desenvolvimento Sustentável e Gestão de Recursos

Hídricos", celebrado na Universidade Técnica de Lisboa. No evento foram abordados

problemas relativos à gestão dos recursos hídricos e a necessidade do desenvolvimento

sustentável, os trabalhos apresentados mostrarão a problemática do continente Europeu,

Americano e Africano, os temas abordados foram bacias transfronteiriças, proteção

ambiental, mudanças climática, direito ambiental, inundações em meio urbano e

desenvolvimento econômico versus sustentabilidade.

No dia 11 de novembro de 2010, participou do Workshop “Gestão de riscos em secas.

Métodos, tecnologias e desafios”, realizado na sala Actos, do Instituto Superior de

Agronomia. Durante o evento foram abordados os seguintes temas, índices de seca e

monitoramento, previsão de secas e percepção de secas e tecnologia de informação em

irrigação.

No dia 30 de novembro de 2010, participou da conferência internacional “Alterações

Climáticas os Desafios e as Respostas”, o evento aconteceu na sala do senado da assembleia

da república – Lisboa, onde foram abordados os temas, políticas de adaptação e mitigação

no Sul da Europa e Norte de África, mitigação das alterações climáticas, problemática global

das alterações climática, eficiência energética e energias renováveis e adaptação às

alterações climáticas.

A visita técnica ao Museu das águas da Empresa Portuguesa das Águas Livres – EPAL

aconteceu no dia 16 de dezembro de 2010. A EPAL conta com um conjunto de museus na

cidade de Lisboa, os museus são a Estação elevatória a vapor de Barbadinhos, Aqueduto das

águas livres, Mãe d’água das Amoreiras e o Reservatório patriarcal. Durante a visita foi

possível acompanhar a história da água na comunidade portuguesa, através dos projetos

antigo de adução, aqueduto, tubos esculpidos em pedra, os grandes reservatórios e estações

elevatória a vapor. A partir desta visão histórica é possível compreender os desafios

encontrados para transpor a água para população, ao longo da evolução da sociedade

portuguesa.

4. Considerações finais

Os problemas detectados no cálculo da resistência aerodinâmica (Rah) estão sendo

investigados a partir da analise de outros trabalhos que tenham o mesmo objetivo. A

professora Fernanda Valente (ISA) continua colaborando nesta tarefa, contando também

com a professora Iana Rufino (UFCG) e o professor Bernardo B. Silva (UFCG). O produto

deste trabalho será apresentado na dissertação de mestrado do aluno John Cunha, e em

períodos da área de recursos hídricos.

5. Bibliográfia

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