satélites possui

ESTUDO DO ÍNDICE DE VEGETAÇÃO NO LESTE DA PARAÍBA USANDO SATÉLITES
METEOROLÓGICOS
Célia Campos Braga
e-mail: [email protected]
Maria Luciene Dias de Melo
e-mail: [email protected]
Fabio Guilherme Borges de Azevedo
e-mail: [email protected]
Departamento de Ciências Atmosféricas
Universidade Federal da Paraíba – UFPB
Av. Aprígio Veloso, 832, Bodocongó – Campina Grande – Paraíba – 58100-000
ABSTRACT
This work presents a study of the seasonal and interanual variation of the normalized difference vegetation index
(NDVI), in a east region of Paraíba State. The images were originally obtained from the Advanced Very High
Resolution Radiometer (AVHRR) of NOAA Satellite, and were modified to a resolution of 7.6Km x 7.6Km. It was
considered the period from 1981 to 1990. The NDVI data obtained were compared with natural vegetation. On
average, the highest values occurred on June (NDVI = 0.51) and the minimum on December (NDVI = 0.31). The
mean annual NDVI value in the studied area was equal to 0.41 and we can also verify that the seasonal variations
are very defined and that it is related to the rainy season.
INTRODUÇÃO
A região leste da Paraíba situada entre os paralelos de 6º25’31’’S a 7º31’43’’S e meridianos de
34 45’54’’W a 36°00’00’’W compreende as microregiões do litoral Paraibano, agropastoril do baixo Paraíba,
Piemonte da Borborema, Brejo Paraibano, Curimataú e Agreste da Borborema. O Estado da Paraíba é
freqüentemente submetido aos efeitos de secas severas, sendo a parte mais atingida o semi-árido, cuja precipitação
média anual são as mais baixas do Brasil, chegando a valores inferiores a 400mm em algumas localidades do Carirí
paraibano. No litoral leste a precipitação supera os 1600mm (Strang 1972).
A cobertura vegetal da Paraíba é caracterizada por diversos padrões morfológicos que dependem da
localização geográfica e das condições climáticas. A porção mais semi-árida se destaca pela presença de caatinga
arbustiva densa ou abertas, que perde sua folhagem no período de estiagem, tornando a florescer no período
chuvoso. Na região leste, destaca-se a Mata Atlântica, vegetação litorânea, Matas Siliares, cerrados, além da
caatinga ( Atlas Geográfico da Paraíba, 1985).
O conhecimento sobre a forma como a radiação solar interage com a vegetação é necessário para
interpretar os processos de sensoriamento remoto aplicados à agricultura, à prospecção de recursos naturais e ao
monitoramento do meio ambiente. Nos últimos anos, o avanço da tecnologia levou os pesquisadores de todo o
mundo a desenvolver sensores de alta resolução espectral capazes de fazer o monitoramento do comportamento
espectral da vegetação que ocupa uma determinada área geográfica. O comportamento espectral dos sensores na
banda do visível (VIS) e infravermelho próximo (IV) instalados a bordo dos satélites meteorológicos informam
sobre a reflectância das superfícies vegetadas, o que possibilita delinear áreas de cobertura vegetada em todo o
globo.
Uma folha tem reflectância baixa, no visível, por causa da alta absorção pela clorofila, alta no
infravermelho próximo, porque a folha espalha e não absorve nessa banda, e baixa no infravermelho, em torno de
1,3µm, devido a absorção pela água. A reflectância no dossel é similar, mas é modificada pela não uniformidade da
radiação incidente, estrutura das plantas e reflectividade pela superfície de fundo (Knipling, 1970).
A combinação da maior reflexão da radiação no infravermelho próximo e muito pouco da radiação no
visível e o contraste em relação a outros alvos de superfície é o centro da teoria que define o mapeamento da
vegetação, a partir de dados do sistema de sensores AVHRR (Advance Very High Resolution Radiometer) do
satélite NOAA (National Oceanic and Atmosphere Administration) (Parkinson, 1997).
De um modo geral, o sensoriamento remoto pode ser útil na detecção da vegetação nativa, com a
diminuição da precipitação e condições ambientais quantificadas, a partir de sensores instalados a bordo de satélites
meteorológicos. Os dados oriundos destes satélites meteorológicos são muito importantes para estudos sobre região
onde a densidade de estações de superfície é pequena. As séries multitemporais, obtidas através do sistema
AVHRR dos satélites NOAA, têm sido empregadas no monitoramento das possíveis modificações temporais e
º
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espaciais ocorridas na evolução da dinâmica da vegetação, tanto em escala global quanto regional. Destacam-se os
trabalhos de Nicholson et al. (1994) para regiões semi-árida da África, Huete et al.1997 para diferentes tipos de
vegetação do globo e Almeida (1997) para o cerrado brasileiro, os quais encontraram correlações entre o NDVI e a
precipitação
O objetivo desta pesquisa é mostrar a evolução temporal e espacial das mudanças ocorridas na vegetação,
no leste da Paraíba, utilizando dados oriundos de sensores remotos abordo de satélites meteorológicos.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
SISTEMA DE SATÉLITES ORBITAL POLAR DA SÉRIE AHVRR/NOAA
Os satélites da série NOAA, têm órbita polar heliossíncrona. Seu sistema imageador Advanced Very High
Resolution Radiometer (AVHRR/NOAA), consiste de um radiômetro com cinco canais sensíveis às bandas
espectrais visível, infravermelho próximo e termal do espectro eletromagnético. Inicialmente, o objetivo destes
sensores eram fornecer a temperatura das nuvens, oceano e atmosfera. Em junho de 1981, foram introduzidas novas
bandas nos sensores de alta resolução espectral AVHRR/NOAA-7 com possibilidades de monitorar a vegetação na
banda do espectro do visível e infravermelho próximo (Batista et al. 1993).
Em 1982 o Grupo de Estudos do Monitoramento e Modelamento Global (GIMMS) da NASA (National
Aeronautics and Space Administration), dedicou-se a estudos multitemporais da vegetação usando dados do
AVHRR/NOAA, para avaliar a utilização dos dados do satélite de baixa resolução espacial, para obter informações
sobre a distribuição fenológica da vegetação. Embora os canais selecionados tivessem fins meteorológicos,
oceanográficos e hidrológicos, o sistema possui características que possibilitariam o monitoramento da vegetação.
Neste estudo foram utilizados os dados do canal 1 correspondente a banda espectral no visível do sensor
AVHRR( 0,58-0,68 µm), onde a radiação solar é absorvida pela clorofila e do canal 2, a região da banda espectral
infravermelho próximo (0,725-1,100 µm), onde existe uma maior reflexão da radiação. A combinação destes dois
canais, permitem inferir sobre a fitomassa foliar fotossiteticamente ativa na comunidade florestal.
A relação da maior reflexão de radiação no canal infravermelho próximo, assim como, muito pouca no
canal visível e o contraste em relação a outros alvos de superfície, obtido do sensor AVHRR/NOAA é denominada
Índice de Vegetação, e compactam os dados espectrais referentes aos dois canais assim, o Índice de Vegetação por
Diferença Normalizada (NDVI) é definido pela proporção:
NDVI = ( I - R ) / ( I + R )
Onde: I é a medida da radiância na banda espectral do infravermelho próximo do AVHRR/NOAA (0,725-1,10 µm)
e R, é a medida na banda espectral do visível (0,58 - 0,68 µm), incluindo o laranja neste comprimento de onda.
Os valores de NDVI não são médias mensais, são valores máximos mensais atribuídos para cada lugar,
àquele mês. O uso dos valores máximos em vez das médias mensais, são tomados para reduzir efeitos atmosféricos,
devido a fatores complicadores, tais como: nuvens, vapor d’água e aerossóis, que provocam erros nos valores do
NDVI (Parkinson, 1997; Gutman, 1991 ).
A vantagem dos satélites da série NOAA em relação a outros satélites, por exemplo LANDSAT, é a sua
grande resolução temporal, obtendo dados diariamente, cobrindo todo o globo. A cobertura diária global possibilita
superar melhor a restrição do uso de imagens devido a contaminação por nuvens. Por causa da possibilidade da
observação diária dos alvos com os satélites NOAA, pode-se explorar o grande potencial no monitoramento da
evolução da cobertura vegetal numa escala regional e/ou global.
DADOS E METODOLOGIA
DADOS DO NDVI DERIVADOS DO AVHRR/NOAA
Os dados mensais do NDVI utilizados neste estudo, correspondentes ao período de 1981 a 1990, foram
cedidos pela divisão de sensoriamento remoto do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Essas imagens
foram originadas a partir do projeto de cooperação entre INPE e a NASA/GSFC, dentro do programa EOS (Earth
Observation System). Os dados do Índice de Vegetação processados pelo GIMMS (Grupo de Estudos do
Monitoramento e Modelamento de Inventário Global) da NASA, são organizados por continente e as informações
referentes aos oceanos são omitidas. Esses dados oriundos dos canais 1 e 2 (visível e infravermelho próximo) do
sensor AVHRR (Advance Very High Resolution Radiometric) são convertidos em unidades de reflectância usando
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a calibração pré-vôo fornecida pela NOAA. Os dados de entrada processados pelo GIMMS para o cálculo do índice
de vegetação são digitais do tipo LAC (Local Area Coverage) de alta resolução espacial, que representam uma
amostra de 4 pixels LAC de 1,1 x 1,1 Km de resolução espacial. Neste trabalho, para área leste selecionada do
Estado da Paraíba (paralelos 6º25’31’’S a 7º31’43’’S e meridianos de 34º45’54’’W a 36°00’00’’W
respectivamente), os valores do NDVI são reduzidos para resolução espacial de 7,6 x 7,6 Km (latitude e longitude).
DADOS DE VEGETAÇÃO
O Estado da Paraíba possui uma vegetação variada o que reflete em condições ambientais diferenciadas. De
acordo com o mapa de vegetação do Atlas Geográfico do Estado da Paraíba (figura-1) na escala de 1:1.000.000,
confeccionado pela Secretaria de Educação do Governo do Estado da Paraíba – UFPB publicado em 1985, as
formações vegetais mais características no leste do Estado, se apresentam em nove principais tipos, descritos a
seguir.
Vegetação Pioneira – Corresponde à faixa adjacente aos limites das preamares. É constituída de uma vegetação
predominantemente herbácea, adaptada as condições de elevada salinidade e algumas espécies apresentam folhas
suculentas como defesa à seca fisiológica local. À medida que se afasta da praia a vegetação aumenta de porte,
devido a diminuição do teor de salinidade e aumento da quantidade de matéria orgânica do solo.
Campos e Matas de restinga – Ocorrem em seguida à vegetação Pioneira. O solo é arenoso e profundo. A
vegetação dos campos é do tipo arbustivo de densidade variável. Em áreas mais abertas aparecem espécies típicas
do cerrado (Tabuleiro), sugerindo ser a restinga aberta, um estágio florístico intermediário do verdadeiro Tabuleiro.
A mata de restinga é subcaducifólia, com árvores de porte médio (10-15m), troncos de diâmetros pequenos, copas
largas e irregulares.
Manguezais – Estão localizados nos estuários e expandem-se para o interior da planície até onde as influências
marinhas atuam. Constituem uma formação florestal Perenifólio, com espécies adaptadas ao ambiente flúviomarinho, de salinidade elevada e solos instáveis, pantanosos com alto teor de matéria orgânica em decomposição.
Mata latifoliada perenifólia costeira (Mata Atlântica) – Corresponde as matas de encosta. Hoje encontram-se
descaracterizadas devido a sua destruição pela ocupação da cultura da cana-de-açúcar em seu habitat. Possui uma
formação densa, sempre verde, de árvores altas (30m) e troncos com diâmetros consideráveis.
Mata latifoliada perenifólia de altitude (Mata do Brejo) – É bem caracterizada pela formação na Zona do Brejo
paraibano. É uma formação arbórea de grande porte, densa, com um número grande de palmeiras.
A contínua derrubada dessa Mata tem ampliado a área de expansão das chamadas caatingas Brejadas, típicas do
contato entre a zona úmida do Brejo e áreas mais secas, caracterizadas pela interpenetração das floras da mata
Úmida e da caatinga.
Cerrado (Tabuleiro) – Ocorre sobre os baixos planaltos costeiros, de solos pobres e mal drenados. Apresentam-se
como uma formação herbáceo-arbustiva com várias espécies comuns as dos Campos dos cerrados do Brasil.
Agreste – Vegetação acatingada com a maioria das espécies caducifólias espinhosas com ocorrência de Cactáceas.
Apresenta um estado herbáceo estacional, composto de plantas anuais ou vivazes que se desenvolve no período das
chuvas, e outro arbustivo-arbóreo. Pertencem a esta formação o Agreste Sublitorâneo (Depressão Sublitorânea) e o
Agreste da Borborema (áreas ocupadas por parte dos municípios de Areial, Campina Grande, Esperança e outros).
Mata Subcaducifólia de Transição – situa-se a ocidente das Matas Úmidas. Pode ser descrita como uma mata
acarrascada, onde parte das espécies perdem folhas na estiagem. Apresenta porte baixo e diâmetro das árvores
medíocres. Em graus diferentes essa formação pode ser encontrada no lado ocidental de João Pessoa como também
entre a Mata do Brejo e o Agreste da Borborema.
Caatinga – Caracteriza-se por uma máxima adaptação à carência hídrica. Assim, existem muitas plantas
suculentas, como as Cactáceas. As espécies são em sua maioria espinhosas, com folhas pequenas ou de lâminas
subdivididas, ou mesmo sem folhas para reduzir ao máximo a perda d’água por transpiração. Podemos encontrar a
caatinga nos Carirís, Curimataú, no Seridó e no Sertão da Paraíba.
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Figura 1 – Mapa de vegetação do Estado da Paraíba (Fonte UFPB – 1985).
METODOLOGIA
Com o objetivo de identificar a evolução e mudança da vegetação, na porção leste do Estado da Paraíba,
foram obtidas junto ao INPE imagens do sensor AVHRR (Advance Very High Resolution Radiometer) abordo do
satélite NOAA (National Oceanic and Atmosphere Administration) do canal 1, correspondente a banda espectral no
visível (onde a radiação solar é absorvida pela clorofila) e do canal 2, região da banda espectral infravermelho
próximo (0,725 – 1,100 m) onde existe uma maior reflexão da radiação. As imagens utilizadas neste estudo têm
resolução espacial reduzida para 7,6 x 7,6 Km, para o período de 1981 à 1990.
A partir das médias mensais do NDVI para os 10 anos de dados (1981 à 1990) organizou-se um arquivo de
trabalho disposto sob forma de matriz. A matriz X(n x p), onde n (linhas) são os 381 pontos de grade do NDVI,
correspondendo uma área de 22.006,56 Km2 do Estado da Paraíba e p (colunas) os 12 meses do ano, perfazendo um
total de 120 matrizes, pois são 10 anos de dados para 12 meses de cada ano (12 meses x 10 anos).
A partir do cálculo do NDVI mensal e anual efetuaram-se as correções para cada ano, devido a degradação
do sensor sugerida por Kaufaman e Holben 1993, para vários tipos de cobertura.
Com dos valores do NDVI, devidamente corrigidos e informações fenológicas da vegetação da região, fezse o estudo da evolução sazonal e interanual da vegetação o período em estudo (1981 à 1991).
RESULTADOS
Analisando a evolução temporal e espacial dos valores médios mensais do NDVI, para os anos de 1981 à
1990, observou-se que em média, na região leste do Estado da Paraíba os máximos ocorrem entre abril e junho e os
mínimos entre dezembro e janeiro.
A figura 2 apresenta a evolução temporal do NDVI, referente à média mensal, no período de 1981 à 1990.
Pode-se observar que a variação sazonal é bem definida, demonstrando tendência de crescimento no período
chuvoso. Os máximos valores mensais ocorreram em junho e os mínimos em dezembro, 0,51 e 0,31
respectivamente, com valor médio anual de 0,41.
Considerando o ano seco de 1983, observa-se que no comportamento do NDVI ocorreu flutuações
significativas durante todo ano (figura 3), verificando-se um decréscimo em maio, voltando a aumentar em junho e
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Média
dez
nov
out
set
ago
jul
jun
mai
abr
mar
fev
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
jan
NDVI
decrescendo significativamente no restante dos meses. O NDVI médio anual foi de 0,39, com máximo de 0,50 em
abril e o mínimo de 0,23 em dezembro.
No ano chuvoso de 1985, não ocorreu variações significativas do NDVI, pois as precipitações foram
abundantes e regulares fazendo com que a vegetação permanecesse verde por mais tempo. O NDVI anual médio foi
de 0,43, com máximo em maio de 0,54 e mínimo de 0,29 em janeiro (figura 4). Comparando estes resultados com a
distribuição espacial do NDVI (figuras 5 e 6), observa-se que em 1983 os valores do índice estão abaixo da média
em quase toda área leste do Estado, já em 1985 verifica-se que os valores mínimos de NDVI se concentram no
litoral, onde a vegetação predominante é a Pioneira e os Manguezais.
Desvio
ndvicor
De
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M
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n
NDVI
Figura 2 – Valores médios mensais de NDVI e seus respectivos desvios padrões para o período de 1981à 1991.
Desvio
ndvicor
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D
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NDVI
Figura 3 – Valores médios mensais de NDVI e respectivos desvios padrões na região leste da Paraíba em 1983.
desvio
Figura 4 – Valores médios mensais de NDVI e respectivos desvios padrões na região leste da Paraíba em 1985.
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Rio Grande do Norte
Latitude
-6.5
-7.0
-7.5
-8.0
Pernambuco
-38.5
-38.0
-37.5
-37.0
-36.5
-36.0
-35.5
-35.0
Longitude
Figura 5 - Distribuição espacial do NDVI médio mensal para a região leste da Paraíba em 1983.
Rio Grande do Norte
Latitude
-6.5
-7.0
-7.5
-8.0
Pernambuco
-38.5
-38.0
-37.5
-37.0
-36.5
-36.0
-35.5
-35.0
Longitude
Figura 6 - Distribuição espacial do NDVI médio mensal para a região leste da Paraíba em 1985.
CONCLUSÃO
Diante do exposto conclui-se que o NDVI possui variação sazonal definida e pode está associado a estação
chuvosa (nos meses: maio – junho – julho - agosto), da porção leste do Estado da Paraíba.
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