Avaliação da cobertura vegetal por meio de índices de vegetação … · 2020. 10. 18. ·...

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EIXO TEMÁTICO: ( X ) Biogeografia e a Paisagem ( ) Biogeografia e as Mudanças Climáticas ( ) Biogeografia e a Educação Ambiental ( ) Biogeografia e Saúde ( ) Biogeografia Histórica ( ) Biogeografia e Conservação ( ) Biogeografia e Agronegócio ( ) Biogeografia e Agroecologia ( ) Biogeografia e SAFs

Avaliação da cobertura vegetal por meio de índices de vegetação (NDVI, SAVI e IAF) na bacia hidrográfica do Ribeirão Baguaçu, Estado de São

Paulo, Brasil

Evaluation of vegetable coverage through vegetation indices (NDVI, SAVI and IAF) in the Ribeirão Baguaçu hydrographic basin, São Paulo state, Brazil

Evaluación de la cobertura de vegetales a través de índices de vegetación (NDVI, SAVI E IAF)

en la cuenca hidrográfica Ribeirío Baguaçu, estado de San Pablo, Brasil

Guilherme Borssanello Rillo Graduando em Engenharia Agronômica, UNITOLEDO, Brasil

[email protected]

Márcio Fernando Gomes

Professor Doutor, UNITOLEDO, Brasil. [email protected]


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RESUMO O presente estudo teve como objetivo avaliar o comportamento da cobertura vegetal na Bacia Hidrográfica do Ribeirão Baguaçu, localizada na região noroeste do estado de São Paulo, com a utilização de técnicas de geoprocessamento, sensoriamento remoto e índices de vegetação. Foram utilizadas imagens do satélite Landsat 8, ponto 222 e órbita 75, representativas dos períodos seco (22/08/2019) e úmido (14/02/2020) na região, visando observar o comportamento da vegetação durante as variações climáticas sazonais. Foram realizados os cálculos de índices de vegetação NDVI, SAVI e IAF. Para o processamento digital das imagens, cálculos dos índices de vegetação e confecção dos mapas temáticos foi utilizado o software Qgis®. Foram observadas variações entre os dois períodos, seco e úmido, para os três índices de vegetação avaliados. Os índices de vegetação (NDVI, SAVI E IAF) mostraram-se satisfatório para avaliação da cobertura vegetal e comparação do comportamento vegetativo entre os períodos chuvoso e seco na área de estudo. Os resultados indicaram valores mais elevados de NDVI, SAVI e IAF para 14/02/2020, refletindo a maior atividade fotossintética e densidade da vegetação no período úmido. PALAVRAS-CHAVE: Sensoriamento Remoto; Geoprocessamento; Índice de Vegetação; Cobertura Vegetação; Landsat. ABSTRACT The present study aimed to evaluate the behavior of vegetation cover in the Ribeirão Baguaçu Hydrographic Basin, located in the northwest region of the state of São Paulo, using geoprocessing techniques, remote sensing and vegetation indexes. Images from the Landsat 8 satellite, point 222 and orbit 75, representing the dry (08/22/2019) and wet (02/14/2020) periods in the region, were used to observe the behavior of vegetation during seasonal climatic variations. NDVI, SAVI and IAF vegetation index calculations were performed. For digital processing of images, calculations of vegetation indexes and making thematic maps, the Qgis® software was used. Variations were observed between the two periods, dry and wet, for the three vegetation indexes evaluated. The vegetation indices (NDVI, SAVI AND IAF) were satisfactory for evaluating the vegetation cover and comparing the vegetative behavior between the rainy and dry periods in the study area. The results indicated higher NDVI, SAVI and IAF values for 02/14/2020, reflecting the higher photosynthetic activity and vegetation density in the wet period. KEYWORDS: Remote Sensing; Geoprocessing; Vegetation Index; Vegetation Coverage; Landsat. RESÙMEN El presente estudio tuvo como objetivo evaluar el comportamiento de la cubierta vegetal en la Cuenca Hidrográfica Ribeirão Baguaçu, ubicada en la región noroeste del estado de São Paulo, utilizando técnicas de geoprocesamiento, teledetección e índices de vegetación. Las imágenes del satélite Landsat 8, punto 222 y órbita 75, que representan los períodos seco (22/08/2019) y húmedo (14/02/2020) en la región, se utilizaron para observar el comportamiento de la vegetación durante las variaciones climáticas estacionales. Se realizaron cálculos de índice de vegetación NDVI, SAVI e IAF. Para el procesamiento digital de imágenes, los cálculos de los índices de vegetación y la elaboración de mapas temáticos, se utilizó el software Qgis®. Se observaron variaciones entre los dos períodos, seco y húmedo, para los tres índices de vegetación evaluados. Los índices de vegetación (NDVI, SAVI E IAF) fueron satisfactorios para evaluar la cubierta vegetal y comparar el comportamiento vegetativo entre los períodos lluvioso y seco en el área de estudio. Los resultados indicaron valores más altos de NDVI, SAVI e IAF para el 14/02/2020, lo que refleja la mayor actividad fotosintética y la densidad de la vegetación en el período húmedo. PALABRAS CLAVE: Teledetección; Geoprocesamiento; Índice de vegetación; Cobertura vegetal; Landsat


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1. INTRODUÇÃO

A palavra tecnologia expressa um conjunto de técnicas, habilidades, métodos, instrumentos e domínios da atividade humana. Desde as primeiras civilizações há uma constante evolução tecnológica, nas últimas décadas ocorreram profundas transformações nos meios de transporte, na comunicação e na informática. Em meio a este cenário, foram desenvolvidas ferramentas valiosas para a compreensão do espaço geográfico, como, por exemplo, o sensoriamento remoto. Segundo Florenzano (2007, p. 11), sensoriamento remoto representa as tecnologias de obtenção de “imagens e dados, da superfície terrestre, por meio da captação e do registro da energia refletida ou emitida pela superfície”, realizado a distância, sem contato físico entre sensor e superfície terrestre. O sensoriamento remoto é uma ferramenta valiosa para as práticas conservacionistas, sejam com finalidades ambientais ou agropecuárias, contribuindo para o diagnóstico, mapeamento, monitoramento, avaliação, tomada de decisões e elaboração de planos de gestão. No Brasil, a utilização de técnicas de sensoriamento remoto no estudo da vegetação ocorre desde a década de 1940 com a utilização de fotografias aéreas, passando pelo Projeto Radam Brasil nas décadas de 1970 e 1980, até avançarem para abordagens com ênfases quantitativas, com correlações entre parâmetros geofísicos do meio ambiente e/ou biofísicos da vegetação com dados radiometricos extraídos de imagens orbitais a partir dos anos 1990 (PONZONI e SHIMABUKURO, 2009). A obtenção de dados de sensores remotos para monitoramento das variáveis de áreas com cobertura vegetal pode vir a salientar análises fundamentais para estudos ambientais, explorando os mais variados tipos de técnicas, principalmente os índices de vegetação (ROSEMBACK; FRANÇA; FLORENZANO, 2005). Ponzoni e Shimabukuro (2009) explicam que a proposição dos índices de vegetação reside no comportamento antagônico entre as regiões espectrais do vermelho e infravermelho. Dessa forma, índices de vegetação podem ser definidos:

[...] como formulações matemáticas desenvolvidas a partir de dados espectrais obtidos por sensores remotos, principalmente nas bandas do vermelho e infravermelho próximo, visando permitir avaliações e estimativas da cobertura vegetal de uma área, em termos de parâmetros como área foliar, fitomassa, porcentagem de cobertura do solo e atividade fotossintética (FORMAGGIO e SANCHES, 2017, p. 95).

Os índices representam medias semianalíticas da atividade da vegetação e têm sido largamente

utilizados para representar as variações da folhagem verde, as variações sazonais e espaciais

(FORMAGGIO e SANCHES, 2017).

Diante deste contexto, o presente trabalho teve como objetivo utilizar índices de vegetação

(NDVI, SAVI E IAF) para avaliar a cobertura vegetal dos solos na bacia hidrográfica do Ribeirão

Baguaçu, na região Noroeste do estado de São Paulo, em diferentes condições sazonais (período

seco e úmido), a partir de imagens do satélite Landsat 8 e a utilização de técnicas de

geoprocessamento e sensoriamento remoto.


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1.1 ÁREA DE ESTUDO

O estudo foi realizado na Bacia Hidrográfica do Ribeirão Baguaçu, localizada entre as

coordenadas geográficas de latitude 21°48’S e 21°06’S e longitude 50°35’W e 50°34’W, na região

noroeste do estado de São Paulo (figura 1). A bacia possui área de contribuição com

aproximadamente 584,06km², perímetro de 123,2km e abrange parcialmente os municípios de

Araçatuba, Bilac, Birigui, Braúna e Coroados (MILANI, 2007). A área integra a Bacia Hidrográfica

do Rio Tietê e está inserida na Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídrico do Baixo Tietê

(UGRHI 19).

Figura 1: Localização da Bacia Hidrográfica do Ribeirão Baguaçu, Estado de São Paulo, Brasil.

Fonte: Elaborado pelos Autores (2020).

Segundo a classificação de Koppen, o clima regional é do tipo Aw, caracterizado por apresentar

duas estações bem definidas, uma estação chuvosa no verão (outubro a abril) e uma estação

seca no inverno (maio a setembro). A temperatura média do mês mais frio é superior a 18°C. De

acordo com os dados climatológicos regionais, a bacia possui temperatura média anual de 21,8

ºC e precipitação média anual de 1212m (figura 2).


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Figura 2: Climograma: Bacia Hidrográfica do Ribeirão Baguaçu, Estado de São Paulo, Brasil.

Fonte: Climate-Data.Org (2020).

Organização: Autores (2020).

A vegetação nativa na região é composta por fragmentos de Floresta Estacional Semidecidual,

tipo de vegetação que têm como característica a dupla estacionalidade climática, sendo

influenciada principalmente aos altos índices pluviométricos no verão e o período de estiagem

no inverno (IBGE, 1991).

2. METODOLOGIA

O presente estudo realizou o cálculo de índices de vegetação (NDVI, SAVI e IAF), para datas

representativas dos períodos úmido e seco, na Bacia Hidrográfica do Ribeirão Baguaçu, com a

adoção de técnicas de geoprocessamento e sensoriamento remoto.

Foram utilizadas duas imagens do satélite Landsat 8, Ponto 222 e Órbita 75, uma referente ao

período seco (22/08/2019) e outra representativa do período úmido (14/02/2020) na região,

visando observar o comportamento da vegetação durantes as variações climáticas sazonais. O

Landsat 8 possui resolução multiespectral, contendo 11 faixas de frequência (bandas)

diferentes, nove bandas procedentes do sensor OLI (Operational Land Imager) e duas bandas

do sensor TIRS (Termal Infrared Sensor). O satélite possui resolução temporal de 16 dias,

resolução radiométrica de 16 bits por pixel e resolução espacial de 15m (Pancromática-OLI),

100m (TIRS) e 30m (OLI). As imagens foram obtidas junto ao United States Geological Survey

(USGS).

Foi realizado mapeamento do uso e ocupação do solo para as datas representativas do período

seco (22/08/2019) e úmido (14/02/2020), através do método de classificação supervisionada

semiautomática, com a utilização das bandas 02 (Azul =0.45 – 0.51 µm), 03 (Verde = 0.53 – 0.59

µm), 04 (Vermelho = 0.64-0.67 µm) 05 (Infravermelho Próximo = 0.85-0.88 µm) do sensor OLI

050100150200250

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do Satélite Landsat 8 e emprego da ferramenta Semi-Automatic Classification Plugin no

software Qgis®.

Para confecção dos índices de vegetação foram utilizadas a banda 04 (Vermelho = 0.64-0.67 µm) e a banda 05 (Infravermelho Próximo = 0.85-0.88 µm), do sensor OLI, as quais apresentam melhores relações com os índices de vegetação propostos (GAMEIRO et al, 2016). Para o processamento digital das imagens, cálculos dos índices de vegetação e confecção dos mapas temáticos foi utilizado o software Qgis®. O Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI), proposto por Rouse et al. (1973), representa a razão entre a diferença da refletâncias das bandas do infravermelho próximo e no vermelho pela soma das mesmas refletâncias (EQUAÇÃO 1). Os valores encontrados no NDVI variam de -1 a 1, onde os valores mais elevados estão relacionados às áreas com maior quantidades de vegetação fotossintética ativa, enquanto os menores valores representam áreas com menor vegetação (PONZONI e SHIMABUKURO, 2009).

NDVI = (NIR-Red) / (NIR+Red) (1) em que: NIR = reflectância no infravermelho próximo; Red = reflectância no vermelho.

O Índice de Vegetação Ajustado para o Solo (SAVI) foi desenvolvido por Huete (1988) e tem como característica minimizar as interferências do solo para caracterização e extração de informações do dossel vegetal. Este se difere ao NDVI devido à presença do fator de ajuste (L), variando conforme as classes de vegetações analisadas (EQUAÇÃO 2).

SAVI = (1+L) * (NIR-Red) / (NIR+Red+L) (2) em que: NIR = reflectância no infravermelho próximo; Red = reflectância no vermelho L = fator de ajuste do índice SAVI;

O fator L pode ser determinado de acordo com a característica do dossel avaliado, variando conforme as classes de densidade: baixa densidade (L=1); densidade intermediária (L=0,5); e vegetação densa (L=0,25). Porém, comumente se utiliza o valor de 0,5 para estudos de áreas com variações de classes de vegetação. O Índice de Área Foliar (IAF) é um índice biofísico que expressa à razão entre a área foliar de uma vegetação por unidade de área utilizada por esta vegetação, ou seja, permite identificar a densidade da vegetação e estimar a biomassa. O IAF foi obtido e estimado pelas Equações 3 e 4, propostas, respectivamente, por Norman et al (2003) e Choudhury et al (1994).

IAF = -2.ln(1 – Fc) (3)

Fc = 1 – (NDVI max – NDVI / NDVI max – NDVI min)0,6 (4) em que: Fc = fração do solo coberto pela cultura


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3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os usos e ocupações dos solos predominantes na bacia hidrográfica são caracterizados pela

presença de culturas temporárias, especialmente cana-de-açúcar e rotação soja-milho/sorgo, e

pastagens (figuras 3 e 4). De forma fragmentada e nas áreas marginais aos cursos d’águas são

encontradas áreas com remanescentes de vegetação nativa, classificados como Floresta

Estacional Semidecidual. No baixo curso do Ribeirão Baguaçu existe a presença de expressiva

área urbana, que representa a cidade de Araçatuba, que possui porte médio e é ocupada por

aproximadamente 200.000 habitantes.

Figuras 3 e 4: Uso e Ocupação do Solo: Bacia Hidrográfica do Ribeirão Baguaçu, Estado de São Paulo, Brasil


Os mapas apresentados nas figuras 3 e 4 demonstram que a maior parte da bacia hidrográfica é

ocupada por cobertura vegetal: pastagens, culturas temporárias e vegetação nativa.

Considerando que a região da Bacia Hidrográfica do Ribeirão Baguaçu apresenta clima tropical,

com duas estações bem definidas, uma marcada por altos índices pluviométricos na primavera-

verão (outubro a março) e outra seca no outono-inverno (abril a setembro), o vigor e a

densidade da vegetação variam ao longo do ano. Foram utilizados os índices de vegetação NDVI,


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SAVI e IAF para avaliar o comportamento da cobertura vegetal durantes os períodos úmido e

seco.

O Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI) apresentou valor médio no período

úmido (0,431) superior ao do período seco (0,240), bem como classes mais homogêneas (figuras

5 e 6). No período seco predominaram valores de NDVI entre 0.150 e 0.300 na maior parte da

bacia, os índices superiores a 0.300 foram verificados apenas em algumas áreas ocupadas por

cultura temporária, especialmente de cana-de-açúcar, e em fragmentos de vegetação nativa nas

proximidades dos cursos d’água. No período úmido a maior parte da bacia registrou índices entre

0.300 e 0.600, já os valores inferiores a 0.300, dominantes no período seco, foram exceções e

estavam associados a áreas urbanas e locais com solo descoberto. As áreas com valores

próximos de 1 possuem maior quantidade de vegetação fotossintenticamente ativa, já os índices

negativos indicam ausência de vegetação.

Figuras 5 e 6: NDVI: Bacia Hidrográfica do Ribeirão Baguaçu, Estado de São Paulo, Brasil.


Os resultados corroboram com as discussões realizadas por Ponzoni e Shimabukuro (2009), que

destacam o potencial do NDVI para o monitoramento da vegetação, avaliação de perfis sazonais

e temporal da atividade da vegetação.

O Índice de Vegetação Ajustado ao Solo (SAVI) apresentou comportamento semelhante ao

NDVI, porém cabe ressaltar que os valores médios foram superiores ao do NDVI, tanto no


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período seco como no período úmido (figuras 7 e 8). O registro de índices maiores para SAVI em

relação ao NDVI já foram evidenciados em outros estudos semelhantes sobre a temática, como

na obra de Gameiro et al (2016) na Sub-Bacia Hidrográfica do Baixo Jaguaribe-CE. Os valores

médios para SAVI foram de 0,646 no período úmido e 0,361 no período seco. O SAVI apresentou

aumento no período úmido em comparação ao período seco para as diferentes classes de uso

do solo com cobertura vegetal: culturas temporárias, pastagens e vegetação nativa. Cabe

ressaltar que o SAVI introduz uma constante L que tem a função de minimizar o efeito do solo

no resultado final do índice.

Figuras 7 e 8: SAVI: Bacia Hidrográfica do Ribeirão Baguaçu, Estado de São Paulo, Brasil.


O Índice de Área Foliar (IAF) apresentou diferenças significativas entre o período úmido e seco

na bacia hidrográfica do Ribeirão Baguaçu (figuras 9 e 10). No período úmido o IAF médio da

bacia foi igual a 2,88 e no período seco de 1,03. No período seco, a exceção de raros fragmentos

de vegetação nativa, o IAF foi inferior a 2 para praticamente todos os tipos de cobertura vegetal.

Em contrapartida, no período úmido foram observados índices médios entre 2 e 4 para as áreas

ocupadas por pastagens e culturas temporárias e acima de 4 para fragmentos de vegetação

nativa. O IAF é um indicador valioso para biomassa do local.

Figuras 9 e 10: IAF: Bacia Hidrográfica do Ribeirão Baguaçu, Estado de São Paulo, Brasil.


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Fonte: Elaborado pelos Autores (2020)

Os valores máximos, médios e mínimos para os índices NDVI, SAVI e IAF estão

sistematizados na Tabela 1.

Tabela 1: NDVI, SAVI e IAF, Bacia Hidrográfica do Ribeirão Baguaçu, Estado de São Paulo, Brasil.

Índice de Vegetação Data Máximo Médio Mínimo

NDVI

Índice de Vegetação por Diferença Normalizada

14/02/2020 0,661 0,431 -0,222

22/08/2019 0,567 0,240 - 0,214

SAVI

Índice de Vegetação Ajustado ao Solo

14/02/2020 0,991 0,646 - 0,333

22/08/2019 0,851 0,361 0,321

IAF

(Índice de Área Foliar)

14/02/2020 17,30 2,889 -0,091

22/08/2019 9,57 1,034 -0,127

Fonte: Elaborado pelos Autores (2020)

4. CONCLUSÃO

Os índices de vegetação (NDVI, SAVI E IAF) mostraram-se satisfatórios para avaliação da

cobertura vegetal na Bacia Hidrográfica do Ribeirão Baguaçu e comparação do comportamento

vegetativo entre os períodos úmido e seco.


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Os índices apresentaram valores mais elevados para a data representativa do período úmido em

comparação com o período seco, refletindo a disponibilidade hídrica no solo e sua relação com

o vigor e a densidade da vegetação na área de estudo.

O desenvolvimento de estudos sobre índices de vegetação representam subsídios importantes

para o planejamento e gestão em bacias hidrográficas.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Choudhury, B.J., Ahmed, N.U., Idso, S.B., Reginato, R.J., Daughtry, C.S.T., Relations between evaporation coefficients and vegetation indices studied by model simulations (1994) Remote Sensing of Environment, 50, pp. 1-17

CLIMATE-DATA.ORG. DADOS CLIMÁTICOS PARA CIDADES MUNDIAIS. Disponível em: <https://pt.climate-data.org/>. Acesso em: 10 jul. 2020. GAMEIRO S., TEIXEIRA,C.P.B., SILVA NETO, T.A.; LOPES, M.F.L., DUARTE C.R., SOUTO, M.V.S., ZIMBACK, C.R.L. (2016). Avaliação da cobertura vegetal por meio de índices de vegetação (NDVI, SAVI e IAF) na Sub-Bacia Hidrográfica do Baixo Jaguaribe, CE. Terræ, 13(1-2):15-22. FLORENZANO. T. G. Iniciação em Sensoriamento. Remoto. São Paulo: Oficina de Texto, 2011. FORMAGGIO, Antônio Roberto; SANCHES, Ieda Del’arco. Sensoriamento remoto em agricultura. São Paulo: Oficina de Textos, 2017. 288p. HUETE, A. R. A soil-adjusted vegetation index (SAVI). Remote Sensing of Envireonment, v. 25, . 295-309,1988. IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Manual Técnico da Vegetação Brasileira. (Manuais técnicos de Geociências, ISSN 0103-9598; n 1). Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, Departamento de Recursos Naturais e Estudos Ambientais -Rio de Janeiro: IBGE, 1991 ,92 p. MILANI, Reginaldo (2007). “Diagnóstico da Influência da Bacia Hidrográfica na Qualidade da Água do Ribeirão Baguaçu (Araçatuba,SP)”. 96 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - UNESP, Ilha Solteira. Norman, J.M., Anderson, M.C., Kustas, W.P., French, A.N., Mecikalski, J., Torn, R., Diak, G.R., Achmugge, T.J., Remote Sensing of Evapotranspiration for Precision-Farming Applications (2003) IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, pp. 21-25. , Tolouse. Proceedings... Tolouse: IGARSS 2003 - Organizing Committee, 2003

PONZONI, F. J.; SHIMABUKURO, Y. E. Sensoriamento remoto no estudo da vegetação. São José dos Campos: Parêntese, 2009. ROSEMBACK, Roberta.; FRANÇA, Andreia Maria Silva.; FLORENZANO, Teresa Gallotti. Análise Comparativa dos dados NDVI obtidos de imagens CCD/CBERS e TM/ Landsat 5em uma área urbana. In: XII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, 2005, Goiânia. Anais... São José dos Campos: INPE, 2005. p.1075-1082. On-line. ISBN 85-17-00018-8. Disponível em: <http://marte.dpi.inpe.br/col/ltid.inpe.br/sbsr/2004/11.16.17.49/doc/1075.pdf> Acesso em: 20 abr. 2020. ROUSE, J.W.; HAAS, R.H.; SCHELL, J.A.; DEERING, D.W. Monitoring vegetation systems in the great plains with ERTS. In: EARTH RESOURCES TECHNOLOGY SATELLITE SYMPOSIUM, 3., 1973, Washington. Proceedings. Washington: NASA, 1973. v.1, p.309-317.

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