Relação índice de área foliar com índice de vegetação espectral

A análise dos índices de vegetação espectrais (IVEs) foi prejudicada devido às condições ambientais não terem sido propícias à aquisição das imagens do satélite Landsat 8, pela presença constante de nuvens sobre a área de estudo. Durante o período de estudo foram utilizadas somente oito das 46 imagens geradas pelo sensor OLI Landsat 8, ou seja, apenas 17% das imagens puderam ser trabalhadas. A maioria imagens (75%) foi obtida no segundo semestre do ano, período seco quando as plantas já haviam perdido grande parte de suas folhas, o que dificulta a análise da relação dos IVEs com IAF quando se encontram em seu estado pleno de desenvolvimento. Para cada imagem disponível podiam ser gerados até 15 pontos, que representavam os 15 coletores de serapilheira (cinco em cada ASV). Assim, a partir das oito imagens, foram confeccionados 106 dados de um total possível de 120 pontos no período. Entre os 14 pontos perdidos dez devem-se à presença de nuvens na imagem do dia 02/06/14 na ASV1 e no dia 13/02/15 na ASV3 e os demais pontos se devem a dano por vandalismo ocorrido em um dos coletores na ASV3 no ano de 2015.

Tabela 11 - Valores de calibração (n = 71) e validação (n = 35) da análise de regressão entre o índice de área foliar (IAF) com os índices de vegetação espectrais: Índice de Vegetação da Diferença Normalizada (NDVI), Índice de Vegetação Ajustado para o Solo (SAVI), Índice de Vegetação Melhorado (EVI) e Índice de vegetação da resistência atmosférica (ARVI) com suas respectivas equações de ajuste linear (Lin.), logarítmica (Log.) quadrática (Quadr.), potencial (Pot.) e exponencial (Exp.) obtidos em uma área de Caatinga preservada nos anos de 2014 e 2015

IVEs Eq. Resumo do modelo Parâmetros estimados Calibração Validação

R² F Ρ Constante b1 b2 RDQM NS RDQM NS NDVI Lin. 0,54 83,0 0,000 2,692*** _{1,05 0,35 0,89 0,41} Log. 0,66 131,8 0,000 4,338*** _3,672*** _{0,76 0,66 0,58 0,75} Quadr. 0,84 177,4 0,000 -3,356*** _12,207*** _{0,62 0,77 0,33 0,92} Pot. 0,66 136,1 0,000 16,742** _4,152*** _{0,67 0,74 0,39 0,89} Exp. 0,64 125,0 0,000 0,008** _9,032*** _{0,88 0,54 0,60 0,73} SAVI Lin. 0,63 117,4 0,000 5,273*** 0,95 0,47 0,83 0,49 Log. 0,77 234,4 0,000 6,300*** _3,407*** _{0,62 0,77 0,44 0,86} Quadr. 0,87 224,4 0,000 -2,707*** _26,566*** _{0,56 0,81 0,33 0,92} Pot. 0,71 168,9 0,000 115,325* _3,672*** _{0,92 0,50 0,56 0,76} Exp. 0,63 118,6 0,000 0,019*** _13,099*** _{1,33 -0,04 0,70 0,63} EVI Lin. 0,66 137,3 0,000 5,398*** _{0,90 0,52 0,78 0,54} Log. 0,79 255,1 0,000 5,998*** _3,161*** _{0,60 0,79 0,41 0,87} Quadr. 0,86 203,7 0,000 -1,175ns _20,438*** _{0,59 0,79 0,35 0,91} Pot. 0,69 152,1 0,000 72,575* _3,323*** _{1,01 0,39 0,62 0,71} Exp. 0,60 103,6 0,000 0,028*** _11,460*** _{1,50 -0,33 0,71 0,62} ARVI Lin. 0,71 170,9 0,000 4,367*** _{0,83 0,59 0,61 0,72} Log. 0,43 53,0 0,000 2,865*** _1,290*** _{0,98 0,43 0,80 0,52} Quadr. 0,83 171,7 0,000 0,092ns _9,231*** _{0,63 0,76 0,35 0,91} Pot. 0,44 55,1 0,000 3,203** _1,467*** _{0,99 0,42 0,82 0,49} Exp. 0,59 100,6 0,000 0,054*** _7,040*** _{0,85 0,57 0,62 0,71}

Valor seguido de * significativo a 5%; ** significativo a 1%; *** significativo a 0,1%; ns não significativo. RDQM – raiz do desvio quadrático médio; NS – fator de eficiência de Nash-Sutcliffe.

Todos os quatro índices de vegetação espectrais apresentaram boa correlação com o índice de área foliar (R > 0,80; ρ < 0,001). Na Tabela 11 estão apresentados os resultados da análise de regressão, da calibração e da validação entre o IAF e os IVEs. Com base em RDQM e NS, a equação quadrática foi a que apresentou o melhor resultado em todos os IVEs, com valores médios (calibração e validação) de RDQM < 0,49 e NS > 0,84.

No processo de seleção de qual IVE e de qual equação deve ser utilizada para estimar IAF foi realizada inicialmente uma análise para verificar a existência de diferença significativa dentro de cada equação de regressão gerada pelos quatro IVEs. Por exemplo, testar se a equação linear obtida pela IVEs (NDVI, SAVI, EVI e ARVI) apresentam valores significativamente diferentes. A Tabela 12 apresenta o resumo dos resultados do teste de

Kruskal-Wallis. Não foi verificada diferença significativa para nenhuma das equações de ajuste independente do IVE aplicado para estimar o IAF.

Tabela 12 - Média, desvio padrão (D.P) e resultados dos testes de Kruskal-Wallis para avaliar o efeito dos índices de vegetação espectrais (IVEs) sobre o índice de área foliar (IAF) estimado pelas equações de ajuste, para área de Caatinga preservada

Equações N Média D.P Q² Grau de Liberdade ρ

Linear 284 1,11 0,53 5,61 3 0,132

Logarítmica 284 0,84 1,06 4,89 3 0,180

Quadrática 284 0,85 1,15 3,03 3 0,387

Potência 284 0,76 1,46 4,38 3 0,223

Exponencial 284 0,89 1,90 0,16 3 0,984

Como nenhuma das equações apresentou resultado diferente quando do uso do IVEs, realizou-se outra análise no qual o IAF medido foi comparado com os IAF estimados pelas diferentes equações de ajuste para cada um dos IVEs. Na Figura 16 estão apresentados os resultados do teste de Kruskal-Wallis para o IAF medido e os IAFs estimados pelas equações apresentadas na Tabela 15 para cada um dos quatro IVEs. Observa-se que, a depender da equação utilizada por cada índice de vegetação espectral, podem-se estimar valores significativamente diferentes de IAF medido. Conforme apresentado na Tabela 11, a equação quadrática foi a que apresentou melhor resultado, o que pode ser confirmado pela semelhança na distribuição dos seus valores estimados para todos os IVEs com relação a IAF medido (Figura 16). Além disso, a equação quadrática foi a única cujos valores de IAF estimados não diferiram do IAF medido independente do IVE utilizado. Analisando-se a distribuição dos dados e o teste de comparação de média de IAF estimado em relação a IAF medido. conclui-se que tanto NDVI como ARVI se mostraram mais adequados para serem utilizados na estimativa do IAF em área de Caatinga preservada. Ambos IVEs os valores de IAF estimado não excederam o limite do IAF medido (~ 6,0.m² m-²), enquanto que o IAF estimado com SAVI e EVI em alguns casos seu valor se aproximou ou ultrapassou os 10,0 m² m-².

Figura 16 - Distribuição do índice de área foliar (IAF) obtido e estimado, por meio dos índices de vegetação espectral: Índice de Vegetação da Diferença Normalizada (NDVI), Índice de Vegetação Ajustado para o Solo (SAVI), Índice de Vegetação Melhorado (EVI) e Índice de vegetação da resistência atmosférica (ARVI), com suas respectivas equações de ajuste

* grupo seguido de mesma letra não difere entre si a 5% de significância pelo teste de comparação de média

setpwise setp-down.

Diante das análises realizadas com os índices de vegetação espectrais para estimativa do índice de área foliar de uma área de Caatinga preservada, recomenda-se a utilização de NDVI por três razões: i) no resultado da calibração e validação das equações de regressão o NDVI obteve desempenho semelhante aos demais IVEs como mostram R², RDQM e NS (Tabela 15); ii) na Figura 16A os resultados do NDVI apresentam maior similaridade dos resultados entre os IAF estimados com IAF medido, com exceção de IAF estimado pela equação linear, além disso, seus resultados observaram-se sempre dentro da faixa de valores observáveis em campo (< 6 m² m-²); iii) NDVI tem grande vantagem sobre os demais IVEs, pois além de simples, é o único entre os quatro que não usa parâmetros de ajustes. Esses parâmetros de ajuste aumentam a acurácia dos modelos em prever um

componente ambiental, ex: IAF, porém sua utilização deve ser restrita às áreas homogêneas, onde o padrão da vegetação apresente pouca ou nenhuma alteração de sua estrutura espacial. Assim, estudos em biomas complexos como a Caatinga, que apresenta muitas tipologias vegetais resultando em padrão heterogêneo (BARBOSA et al., 2006), ajustar o índice para um tipo de vegetação, pode levar a sub ou superestima-ló para outros tipos de vegetação.

Ao utilizar NDVI como IVE a usado para estimar o IAF, sugere-se a utilização da equação potencial, pois apesar de resultado pouco inferior ao da equação quadrática (R², RDQM e NS), o IAF estimado pela equação potencial tem como vantagem não gerar valores negativos de IAF. A utilização da equação quadrática pode ser feita, desde que se tenha o cuidado de adotar condicionantes para que IAF estimado não apresente valores negativos.

5.4 Conclusão

O índice de área foliar (IAF) em Caatinga arbustiva arbórea preservada variou em média de 2,4 a 4,7 m² m-² entre as três associações de solo-vegetação (ASVs), apresentando valor médio de 3,7 m² m-². Seu valor é influenciado pela vegetação e pelo tipo, profundidade, textura e capacidade de armazenamento de água no solo.

Todas as variáveis ambientais investigadas (precipitação, evapotranspiração e umidade do solo) apresentaram boa correlação com IAF, podendo ser utilizadas para seu monitoramento. A melhor correlação com IAF foi observada com a umidade média do solo (θm), seguido pelo índice de umidade médio (IU). Para o período específico de queda das folhas, a melhor correlação de IAF foi observada com a umidade do solo antecedente (θ30), seguida pela razão entre a precipitação e a evapotranspiração média (P/ETo90). A utilização das variáveis ambientais apresenta-se, portanto, como alternativa para ser implantada em modelos que utilizam o IAF como parâmetro.

A grande presença de nuvens nas imagens durante o período úmido limitou as investigações sobre a zona saturação dos índices de vegetação espectrais para valores maiores do índice de área foliar.

Sugere-se o uso de NDVI entre os índices de vegetação espectrais analisados, por estimar valores que extrapolaram o valor do índice de área foliar medidoindependente da equação de ajuste utilizada. Por não diferir significativamente, em geral, do índice de área foliar medido, bem como por ser simples e não necessitar de parâmetros de ajustes.

A equação quadrática foi a que melhor estimou o IAF com base nos quatro IVEs analisados. No entanto, para o NDVI recomenda-se a utilização da equação potencial para estimar o IAF por não apresentar diferença significativa do índice de área foliar medido e por não gerar valores negativos.

6 ÍNDICE DE COBERTURA VEGETAL E COMPORTAMENTO HÍDRICO DO SOLO EM CAATINGA PRESERVADA