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2. Material e Métodos

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Academic year: 2021

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Detecção espaço-temporal de estresse hídrico na vegetação do

semi-árido no nordeste do Brasil utilizando NDVI e NDWI – Estudo de caso

Serra da Capivara e Serra do Congo – PI

Tiago Henrique de Oliveira¹; Josemary Santos e Silva¹; Célia Cristina Clemete

Machado²; Josiclêda Domiciano Galvíncio³; Ranyere Silva Nóbrega³ Rejane Magalhães de Mendonça Pimentel4

1.

Geógrafos – UFPE; 2. Doutoranda PPGeo – UFPE; 3. Profª. Drª. Dept. de Geografia – UFPE; 4. Profª. Drª. Dept. Biologia – UFRPE

1.

thdoliveira5@gmail.com; 1. josy.santos04@gmail.com; 2. cmachado@ci.uc.pt; 3. josicleda@hotmail.com; 3 ranyere.nobrega@ufpe.br; 4.pimentel@db.ufrpe.br

1. Introdução

O Nordeste brasileiro ocupa uma área de 1.548.672 km², dos quais, é possível quantificar que o semi-árido ocupe uma área total de 788.064 km². O sensoriamento remoto tem se tornado um importante fornecedor de informações climáticas e ambientais obtendo boa precisão para amplas áreas da superfície terrestre.

Deste modo, o mapeamento da vegetação na superfície terrestre tem recebido grande destaque devido aos diversos índices de vegetação criados e aplicados nas mais diversas partes do mundo. Entre estes índices, tem se destacado o Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI) e o Índice de Água por Diferença Normalizada (NDWI).

O NDVI tem permitido a detecção e monitoramento de mudanças sazonais e interanuais no desenvolvimento e atividade da vegetação. Mais recentemente, o NDWI tem se destacado no monitoramento do estresse hídrico em ambiente semi-árido, tendo em vista que a banda do infravermelho próximo e do infravermelho médio é altamente correlacionada com o conteúdo de água do dossel vegetal, conseguindo acompanhar melhor as mudanças na biomassa vegetal, na estimativa da quantidade de água em culturas agrícolas, dentre outros. Comparando o NDVI com o NDWI, a vantagem da utilização do NDWI resulta de sua menor sensibilidade aos efeitos atmosféricos.

O objetivo deste artigo é avaliar a cobertura vegetal da Serra do Congo e da Serra da Capivara, verificando as áreas com maior ocorrência de estresse hídrico, através da avaliação espaço-temporal de imagens TM Landsat 5 e índices de vegetação (NDVI e NDWI).

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2. Material e Métodos

2.1. Área de Estudo

A área de estudo localiza-se no estado do Piauí, no nordeste brasileiro (figura 1), estando inserida na bacia hidrográfica do rio Parnaíba. Segundo Santos (2007), na área do Parque Nacional Serra da Capivara, a vegetação dominante é caatinga, constituída por espécies caducifólias, típicas do semi-árido nordestino.

Figura 1. Localização da área de estudo

A presença de espécies espinhosas, cipós, Cactáceas e Bromeliáceas, além de um tapete de herbáceas anuais, é explicada como função do grau de aridez, do tipo de solo e da ação antrópica.

2.2. Caracterização climática da região em estudo

Segundo o sistema de classificação climática adotado pelo IBGE, o clima da região é do tipo tropical do Brasil Central, quente com temperatura média do ar maior que 18°C durante todos os meses e 6 meses secos. A precipitação média anual sobre a bacia diminui em direção ao Sul, com média anual de 940mm, na estação de Tamboril (7°S) e de 684mm, em São Raimundo Nonato; a temperatura média anual do ar apresenta valores bem próximos, 26,8 e 26,1, respectivamente. A estação chuvosa

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3 ocorre durante os meses de verão e parte do outono (novembro a abril) e a estação seca durante o inverno e parte da primavera (maio a outubro). Durante o inverno austral há um declínio na temperatura do ar, podendo chegar a valores de 10°C em locais mais altos

2.3. Dados radiométricos

As imagens utilizadas para o desenvolvimento deste trabalho foram originadas do sensor TM (Thematic Mapper), a bordo do satélite Landsat-5, obtidas junto à Divisão de Geração de Imagens do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE. A Serra do Congo e a Serra da capivara encontram-se inseridas na imagem de ponto e órbita 219/66, sendo utilizadas neste estudo dez imagens com datas de passagem em 13 de junho de 1984, 06 de junho de 1987, 17 de junho de 1991, 06 de junho de 1993, 09 de junho de 1994, 01 de junho de 1997, 04 de junho de 1998, 23 de junho de 1999, 26 de junho de 2003 e 15 de junho de 2008. O sensor TM possui 7 bandas com resolução espacial de 30m, com exceção da banda 6 (infravermelho termal) com resolução de 120m.

2.4. Processamento de imagem e montagem do layout

Inicialmente foi realizado o registro de todas as imagens a partir de pontos coletados em campo. Para o processamento das imagens do satélite Landsat-5 foram criados modelos usando a ferramenta Model Maker do software ERDAS Imagine 9.3. A montagem final dos mapas foi realizada através do software ArcGIS 9.3. Ambos possuem licença do Departamento de Ciências Geográficas da Universidade Federal de Pernambuco.

A obtenção dos valores do Índice de Vegetação da Diferença Normalizada (IVDN) e do Índice de Água por Diferença Normalizada (NDWI) é descrita nos sub-itens a seguir.

2.4.1 - Calibração Radiométrica

A calibração radiométrica (equação 1) é obtida através da intensidade do fluxo radiante por unidade de ângulo sólido e seu conceito pode ser comparado ao de brilho, ou seja, um objeto é considerado mais brilhante quanto maior for sua “radiância medida”. Essas radiâncias representam a energia solar refletida por cada pixel, por unidade de área, de tempo, de ângulo sólido e de comprimento de onda, medida ao nível do satélite nas bandas 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7. O conjunto da radiância ou calibração radiométrica é obtido pela equação proposta por Markham e Baker (1987):

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4 ND a b a L i i i i 255 (1)

Onde a e b são as radiâncias espectrais mínima e máxima ( 2 1 1 μm sr

Wm ), ND é a

intensidade do pixel (número inteiro compreendido entre 0 e 255) e i corresponde às bandas (1, 2, ... e 7) do satélite Landsat 5 e 7. Os coeficientes de calibração utilizados para as imagens TM são os propostos por Chander e Markham (2003).

2.4.2 - Reflectância

A reflectância (Equação 2) de cada banda ( i) é definida como a razão entre o

fluxo de radiação solar refletido pela superfície e o fluxo de radiação solar global incidente, obtida através da equação (Allen et al., 2002):

r i i i d Z K L . cos . . (2)

Onde Lλi é a radiância espectral de cada banda, kλi é a irradiância solar

espectral de cada banda no topo da atmosfera 2 1 μm

(Wm , Tabela 1), Z é o ângulo

zenital solar e dr é o quadrado da razão entre a distância média Terra-Sol (ro) e a

distância Terra-Sol (r) em dado dia do ano (DSA). 2.4.3 - IVDN

O Índice de Vegetação da Diferença Normalizada – Normalized Difference Vegetation Index – (NDVI) (Equação 3), desenvolvido por Rouse et al. (1973), é obtido pela razão entre a diferença das reflectividades do infravermelho próximo (IV ρ) e do vermelho (V ρ), e a soma das mesmas:

V IV V IV ρ ρ ρ ρ IVDN (3)

Onde IV ρ e V ρ correspondem, respectivamente, às bandas 4 e 3 do Landsat 5 – TM. O IVDN atua como um indicador sensível da quantidade e da condição da vegetação verde. Seus valores variam de -1 a +1. Para superfícies com alguma vegetação, o IVDN varia de 0 a 1, enquanto que para a água e nuvens, o IVDN geralmente é menor que zero.

2.4.4 – NDWI

Segundo Cardozo et al. (2009), o índice de vegetação Normalized Difference Water Index (NDWI), proposto por Gao (1996), é relacionado com o conteúdo de água presente nas folhas. Cardozo et al. (2009) afirmam que este índice se apresenta como

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5 uma importante ferramenta em estudos relacionados ao vigor vegetativo. O mesmo é obtido através das bandas do infravermelho próximo (IV p) e do infravermelho médio (IV m) do satélite Landsat 5:

MidIR NIR MidIR NIR NDWI ρ ρ ρ ρ (3)

Estudos mostram que o NDWI está correlacionado com o conteúdo de água do dossel vegetal, indicando mudanças na biomassa e valores oscilantes de umidade nas plantas (Hardisky et al., 1983; Gao, 1996).

2.5. PROBIO Caatinga

A espacialização do uso do solo e cobertura vegetal da área de estudo foi obtida utilizando a base de dados georreferenciados do Programa Biodiversidade da Caatinga (PROBIO – Caatinga), com escala 1:250.000.

3. Resultados e discussão

É perceptível a existência de uma grande mudança nos valores de IVDN (figura 3), através da análise das imagens utilizadas nesta pesquisa. As maiores mudanças ocorreram nas áreas do bioma Caatinga, devido a queda das folhas para reduzir uma maior perda de água, através da evapotranspiração, em épocas de intenso estresse hídrico. As áreas classificadas pelo PROBIO Caatinga (2005) (figura 2) como Savana Estépica Arborizada e Área de Agropecuária (Ta + Ag) apresentaram valores de IVDN classificados entre 0,101 e 0,500 (figura 2).

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6 Figura 2. PROBIO Caatinga da área de estudo

Porém, no ano de 1993, é possível verificar um aumento significativo de IVDN para as classes inferiores a 0,200, o que pode evidenciar uma diminuição de área foliar na cobertura vegetal, devido, provavelmente, às menores precipitações nos meses anteriores. Em virtude da ocorrência deste fato, algumas espécies do bioma caatinga liberam suas folhas, diminuindo, deste modo, a área da superfície que permitiria a perda de água sob a forma de vapor através dos estômatos, evitando uma elevação da taxa de evapotranspiração, devido ao longo período de estiagem. Asner et al. (2000) afirmam que a ausência de material foliar verde, em um grande número de espécies, diminui a influência da componente foliar na resposta espectral.

Autores como Tueller (1987) e Pinker & Karnieli (1995), citados por Maldonado (2004), afirmam que a influência dos solos no comportamento espectral da vegetação deve ser analisada separadamente, quer em áreas de baixas coberturas vegetais (<30%), quer em áreas de altas coberturas vegetais (>30%). Os mesmos afirmaram, ainda, que o solo se constitui na principal componente da resposta espectral, quando a cobertura vegetal no semi-árido está próxima ou menor do que 30%.

Maldonado (2004) afirma que a baixa atividade fotossintética refletida pelo aspecto seco dos estratos que compõem as fácies de caatinga faz com que a resposta espectral desta formação tenha um importante componente de sombreamento relativo à

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7 porção lenhosa (troncos e galhos). Deste modo, Choudhury (1992) afirma que as características da vegetação natural da caatinga contrastam com as das culturas irrigadas implantadas que apresentam alta atividade vegetativa (atividade fotossintética), com dominância de poucas espécies.

As áreas classificadas como Savana Estépica Florestada (Td) apresentaram predominância de valores médios de IVDN superiores a 0,301. Segundo o Manual Técnico da Vegetação Brasileira (IBGE, 1992), este domínio, assim como a Savana Estépica Arborizada, apresenta deciduidade total em épocas desfavoráveis. Deste modo, nota-se, nos meses de junho de 1991, 1993, 1994, 1998, 1999 e 2006, um aumento nas classes de IVDN inferiores a 0,300, sendo considerável o aumento destas classes entre 0,101 e 0,200 para o mês de junho dos anos 1993, 1998 e 1999.

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8 Figura 3. IVDN da área de estudo

As áreas classificadas no PROBIO (2005) como Contato Savana Estépica / Floresta Estacional-Ecótono (TN) apresentaram valores de IVDN superiores a 0,300. No ano de

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9 1999 é notável a predominância de IVDN entre 0,300 e 0,500 na maior parte da área. As áreas de contato são classificadas pelo IBGE (1992) como áreas de tipos de vegetação com estruturas fisionômicas semelhantes ficando, muitas vezes, imperceptíveis quanto à sua identificação, tornando impossível o mapeamento por simples fotointerpretação.

As áreas com ocorrência de agropecuária e Floresta Estacional Decidual Submontana (Ag + CS), segundo o PROBIO (2005), apresentaram valores de IVDN inferiores a 0,400, apresentando-se destacadas em algumas imagens como aquelas anteriores a junho de 1998. As grandes propriedades rurais apresentam-se bem destacadas com relação aos outros alvos nestes anos, sendo possível a visualização gradual do aumento das propriedades ao longo do tempo.

Na parte superior da imagem é possível visualizar as áreas de agropecuária e Contato Savana Estépica / Floresta Estacional-Ecótono (Ag + TN), com valores de IVDN bem variados ao longo dos anos. Nos meses de junho dos anos 1984, 1987, 1997, 2006 e 2008 é verificada a predominância de valores de IVDN superiores a 0,401. Já nos anos de 1991, 1993, 1994, 1998 e 1999 estes valores foram inferiores a 0,400.

Analisando a figura 4 é possível observar o comportamento do NDWI da área e verificar que aquela com vegetação de caatinga é a que mais apresenta estresse hídrico. Nota-se como grande parte da área de estudo apresentou NDWI inferiores a 0,20. As áreas azuis correspondem às áreas mais úmidas da região para as datas analisadas.

Em alguns casos, como pode ser observado mais facilmente nas imagens de junho dos anos 1987, 1997, 2006 e 2008, nota-se uma certa correspondência entre as áreas com valores de IVDN superiores a 0,601 e valores de NDWI superiores a 0,301.

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Figura 4. NDWI da área de estudo

4. Conclusões

A dinâmica climática encontrada no bioma caatinga apresenta variações multitemporais significativas que se refletem na dinâmica da paisagem.

Os mais altos valores de NDWI corresponderam às áreas que possuem uma maior predominância de água e corpos hídricos.

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11 Foi perceptível a diminuição de material foliar verde em algumas espécies vegetais devido, provavelmente, ao estresse hídrico nestas áreas, diminuindo, assim, a influência da componente foliar na resposta espectral da vegetação.

5. Bibliografia

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