Estimativa dos Índices de Vegetação (IV) e Determinação dos Coeficientes Culturais

Os índices de vegetação traduzem o índice de reflectividade das culturas entre as regiões espectrais do espectro eletromagnético nas bandas do vermelho (0.62 -0.70 µm) e infravermelho próximo (0.70-1.1 µ m), refletindo o teor em clorofila de uma superfície vegetal.

Atualmente consideram-se os índices de vegetação como ferramentas valiosas e consistentes para acompanhar o desenvolvimento das culturas a diferentes escalas. Desde os anos 70, múltiplas definições de índices de vegetação foram formuladas a partir de diversas combinações entre bandas, tendo especial cuidado com a minimização do efeito do solo, da atmosfera e da configuração angular de observação. Foram selecionados vários índices de vegetação entre os mais utilizados na bibliografia com aplicação no estudo do desenvolvimento das culturas, mais especificamente na comparação temporal entre transpiração do coberto e índices de vegetação. Esta comparação segue uma relação linear com outras variáveis biofísicas: fração de cobertura (fc), índice de área foliar (IAF) e outros parâmetros relacionados com o ritmo de crescimento, como por exemplo a biomassa.

Hatfield et al. (2004) efetuaram uma revisão a esta temática, resumindo a sua descrição e alguns trabalhos de referência, apresentados na Tabela 2.4.

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Tabela 2.4: Revisão aos Índices de Vegetação mais comuns e sua aplicação

Índice de Vegetação Formula (em função das

bandas do espectro eletromagnético)

Aplicação Referência

R800-R680 Biomassa Jordan (1969)

R800-R550 Biomassa Bushman and Nagel

(1993)

R550 Clorofila Carter (1994)

R-1700 Gitelson et al. (1999)

log(I/R737) Clorofila Yoder and Pettigrew-

Crosby (1995)

“Simple Ratio” R=RNIR/Rred Biomassa, LAI e

Fração Cobertura

Birth and McVey (1968); Jordan (1969) “Photochemical Reflectance Index” PRI=( R550-R531)/( R550-R531) Eficiência Captação de Luz Gamon et al. (1992) “Pigment-specific normalized difference” (R800-R470)/(R800-R470) LAI Blackburn (1998) “Normalized Difference Vegetation Index”

NDVI=(RNIR-Rred)/(RNIR+Rred) Fração

Cobertura e Radiação fotossintética ativa PAR Deerin (1978) Rouse et al. (1974) “Perpendicular Vegetative Index”

PVI=(RNIR-aRred-b)(I+a2)1/2 LAI Richardson and

Wiegand (1977) “Wide Dynamic Range

Vegetation Index”

WDRI=(0.1RNIR-

Rred)/(0.1RNIR+Rred)

LAI, Fração cobertura e biomassa Gitelson (2004) “Soil Adjusted Vegetation Index”

SAVI=(RNIR-Rred)

(1+L)/(RNIR+Rred+L)

LAI Huete (1988)

“Transformed Soil Adjusted Vegetative

Índex”

TSAVI= a(RNIR-aRred-b)

/(Rred+aRNIR-ab)

LAI e Biomassa Baret et al (1989)

“Enhanced Vegetation Index”

EVI=2.5(RNIR-Rred) /(RNIR+6Rred-

7.5 R blue+1)

LAI e Biomassa Huete et al. (2002)

“Green NDVI” (RNIR-Rgreen)/(RNIR+Rgreen) Radiação

fotossintética ativa PAR, fração de cobertura Bushman e Nagel (1993); Gitelson e Merzlyak (1994) e Gitelson et al. (1996)

“Red Edge NDVI” (RNIR-Rred edge)/(RNIR+Rred edge) Radiação

fotossintética ativa PAR, fração de cobertura Gitelson e Merzlyak (1994)

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Tabela 2.4: Revisão aos Índices de Vegetação mais comuns e sua aplicação (Continuação)

Índice de Vegetação Formula (em função das bandas do espectro eletromagnético)

Aplicação Referência

“Visible Atmospherically Resistant Indices”

VARI green= (Rgreen-

Rred)/(Rgreen+Rred)

VARI red edge =(RNIR-Rred edge)/(RNIR+Rred edge)

Fração Cobertura

Gitelson et al (2002)

“Chlorophyll Indices” CI green=(RNIR/Rgreen)-1

CI red edge=(RNIR/Rred edge)-1

LAI, Indices Produtividade e Índice de clorofila Gitelson et al (2003, 2005) PRI “Photochemical Reflectance Index” (R570-R531)/(R570+R531) Indicador de Stress Hídrico e de Clorofila Suárez et al (2009)

A estimativa dos coeficientes culturais com base na informação remota faz-se com a aplicação de algoritmos de cálculo, a partir da determinação de índices de vegetação (IV), calculados com os índices de refletância da superfície cultural na banda do vermelho e infravermelho próximo, mais especificamente os índices PVI (Jackson et al. 1980; Heilman et al. 1982), NDVI (Rouse et al. 1974; Bausch e Neale 1987; Neale et al. 1989) e SAVI (Huete, 1988; Bausch 1993; Neale et al. 1996). Outra metodologia para estimar analiticamente os valores dos coeficientes culturais foi descrita por D.’Urso e Santini (1996), sendo baseada na informação remota de satélite, a estimativa dos valores do albedo, rugosidade da superfície e resistência aerodinâmica (a partir LAI).

Muitos trabalhos foram realizados para avaliar o grau de fiabilidade da estimativa dos valores de Kc, mediante a utilização dos índices de refletância da superfície terrestre obtidos a partir de dados de deteção remota. Neste sentido, importa referir os trabalhos desenvolvidos por Neale et al. (1996) que utilizou imagens aéreas digitais multiespectrais para estimar os coeficientes culturais de uma cultura de algodão, mediante o índice de vegetação SAVI. Utilizou os valores de Kc estimados no cálculo do balanço hídrico do solo, em três parcelas experimentais, como termo comparativo, e realizou o mesmo balanço utilizando os valores de Kc obtidos mediante a metodologia proposta pela FAO 56 (Allen et al. 1998). Os resultados obtidos mostram uma tendência para o balanço hídrico realizado com os valores de Kc estimados pela FAO subestimarem os valores de ET obtidos mediante a informação remota, principalmente nas fases de desenvolvimento inicial e final da cultura, em cerca de 12%. De forma similar, Harikishan et al. (2006) estimaram os valores do coeficiente cultural basal (Kcb) a partir dos valores de refletância da superfície, tendo concluído ser uma metodologia prática e um indicador muito fiável na estimativa da evapotranspiração real das culturas. Neale et al. (2003) fizeram uma retrospectiva a vários trabalhos realizados no mesmo âmbito – técnicas de deteção remota e estimativa dos valores da evapotranspiração -

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51 tendo concluído existirem enormes potencialidades na estimativa dos coeficientes culturais em culturas de produção de grão, culturas sem produção de grão e culturas forrageiras.

Outros trabalhos foram realizados por Michael e Bastiaanssen (2000) tendo derivado valores de coeficientes culturais baseados na refletância da superfície (Kcr, Reflectance Based Crop Coefficient) a partir de imagens de satélite Landsat. Tasumi et al. (2005, 2006) estimaram os coeficientes culturais baseados na refletância da superfície (Kcr), mediante modelo de balanço energético e parametrização dos valores de Kcr (neste caso representando valores de Kc) utilizando os valores de NDVI calculados, podendo assim estimar a taxa de ETc. Uma aproximação diferente foi estudada por Zhang e Wegehenkel (2006) que desenvolveram uma metodologia regional para a determinação de ET, mediante a utilização de informação MODIS na banda do infravermelho próximo e visível do espectro eletromagnético. Para o cálculo de ETo, usaram a metodologia de Allen et al. (1998). Os valores de Kc são estimados a partir da altura da cultura (hc) e da fração de cobertura do solo (fc), calculados com base nos valores de NDVI. Er- Raki et al. (2007) comparam os valores da ET calculados a partir do coeficiente cultural basal (Kcb) obtidos mediante a metodologia da FAO, dados de deteção remota (Kcb e fc derivados com base nos valores de NDVI) e monitorização local (Estações de “Eddy-Covariance”). Os resultados obtidos mostram bem as potencialidades existentes com a estimativa dos valores de Kcb e cálculo da ET a partir de informação de satélite, principalmente com aplicação à escala regional. Os resultados que suportam esta afirmação foram: valores de Kcb locais (registados nas câmaras de “eddy covariance”) muito semelhantes aos valores de NDVI estimados, observando um erro de precisão no cálculo de ET na ordem dos 0,16 e 0,45, correspondendo a 0,33 e 0,51 mm/dia, respetivamente, traduzindo um nível de eficiência de 79 a 70%; para valores de ET estimados com Kcb obtidos mediante a metodologia da FAO e obtidos a partir de informação remota, o nível de eficiência verificado foi de 44%.

No caso da cultura do milho, estabeleceu-se o seguinte (Bauch e Neale, 1987): quando Kcb atinge o valor máximo, os valores de LAI e fc são 3,2 e 77,6%, respetivamente, alcançando também o IV o valor máximo.

A radiação absorvida pelo coberto vegetal é o fator determinante no processo de transpiração quando a cultura não está limitada pela disponibilidade de água no solo (Tanner e Jury, 1979). Os IV descrevem o ritmo de crescimento, a fotossíntese e a transpiração com valores absolutos de parâmetros biofísicos. O ritmo a que uma cultura assimila a radiação incidente está em relação com a fração de radiação absorvida fotossintética ativa (fAPAR), também relacionada com o ritmo da evapotranspiração.

Diferentes estudos mostram uma relação quase linear entre fAPAR e os índices de vegetação (Asrar et al,

1984).

fAPAR= a.NDVI+b (2.26)

Onde a e b são parâmetros de regressão.

A relação entre transpiração da cultura e atividade fotossintética é suportada pela correlação entre Kcb* (espectral) e os IV. A disponibilidade de água no solo influencia esta correlação da seguinte forma:

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52 quando o solo está seco, a transpiração da planta é maior, apresentando maiores valores de Kcb*. Quando o solo está húmido os valores de Kcb* são menores, devido à contribuição de Ke (evaporação do solo). Vários estudos têm sido desenvolvidos no sentido de avaliar o efeito da disponibilidade de água no solo na relação Kcb* e IV (Choushury et al, 1994).

A relação entre IV e Kcb* mostra uma forte dependência com os indicadores biofísicos do coberto, com a evapotranspiração a determinar a taxa de produtividade da biomassa. Fazendo uso das funções de produção que relacionam biomassa com ETc acumulada e dos modelos de eficiência, que relacionam ritmos de crescimento e ritmos de absorção da radiação, traduz-se a relação linear entre Kcb* e IV. A ETc* determinada através dos IV representa o valor de ET do coberto no momento da observação e sob as condições reais de determinada parcela ou região. Os fatores determinantes na relação IV e Kcb, integram fatores: tipo de coberto, solo, fatores climáticos, sendo estes fatores característicos de uma determinada zona, reorientando desta forma as condições reais de determinada área regional.

A Tabela 2.5 faz referência a alguns trabalhos com os quais foi possível estabelecer equações matemáticas que permitem calcular valores de Kcb* (coeficiente cultural espectral) a partir de índices de vegetação para algumas culturas de regadio.

Tabela 2.5: Referência a trabalhos que obtiveram equações matemáticas que permitem calcular valores

de Kcb* (coeficiente cultural espectral) a partir de índices de vegetação

CULTURA REFERÊNCIA

Luzerna Heilman et al., 1980

Trigo Jackson et al., 1980

Milho Bausch and Neale, 1987

Milho Neale et al., 1989

Milho Bausch, 1993

Herbáceas Choundhury et al., 1994

Herbáceas D`Urso, 2001

Algodão Hunsaker et al., 2003

Herbáceas Cuesta et al., 2005

Trigo Duchemin et al., 2006

Trigo e Milho González-Piqueras, 2006

Trigo Er-Raki et al., 2007

Batata Jayanthi et al., 2007

Algodão e Beterraba González-Dugo and Mateos, 2008

Culturas Anuais Rafn et al., 2008

Milho e Feijão González-Dugo et al., 2009

Sorgo, Feijão, Milho e Luzerna Singh and Irmak, 2009

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2.6.4.3 Vantagens da Determinação das Necessidades Hídricas com os Índices de