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VARIABILIDADE E SUSCETIBILIDADE CLIMÁTICA: IMPLICAÇÕES ECOSSISTÊMICAS E SOCIAS

25 a 29 de outubro de 2016 Goiânia (GO)/UFG

TÉCNICAS DE SENSORIAMENTO REMOTO APLICADAS AO ESTUDO DO CLIMA URBANO EM CIDADE LITORÂNEA: O CASO DE UBATUBA-SP

WASHINGTON PAULO GOMES1

MARGARETE CRISTIANE DE COSTA TRINDADE AMORIM2

RESUMO

A utilização de técnicas do sensoriamento remoto tem sido um instrumento bastante importante para elaboração de diagnósticos das ilhas de calor de superfície e identificação dos níveis de vegetação. Tais técnicas podem ser consideradas como um avanço no campo da cartografia e consequentemente se apresentam como progressos no campo dos procedimentos metodológicos nos estudos de clima urbano.O trabalho teve como objetivo analisar as características do índice de vegetação em relação às diferenças de temperaturas de superfície intraurbanas e rural, em episódios de verão e inverno, na cidade de Ubatuba-SP. Os resultados mostraram que houve diferenças significativas das temperaturas da superfície nos dois episódios e em ambos os casos as maiores temperaturas foram encontradas nas áreas com baixa densidade de vegetação. Palavras-chave:Sensoriamento remoto; Índice de vegetação; Temperatura de superfície; Ubatuba-SP.

ABSTRACT The use of remote sensing techniques has been a very important tool for making diagnoses of surface heat islands and identification of vegetation levels. Such techniques can be considered as na advance in the field of mapping and consequently present as progress in the field of the methodological procedures in the urban climate studies. The study aimed to analyze the vegetation index behavior and the differences on intra-urban and rural surface temperatures, in episodes of summer and winter, in the town of Ubatuba-SP. The results showed that there were significant differences of the surface temperatures on the two episodes and in both cases the higher temperatures were found in low density vegetation areas. Key words: Remote sensing; vegetation index; Surface temperature; Ubatuba-SP.

1 – Introdução

A partir da comparação entre a temperatura urbana e a rural circundante, pode-se

detectar a geração do clima urbano na perspectiva do subsistema termodinâmico. A cidade

não é um todo homogêneo e possui especificidades intraurbanas, sobretudo, em relação às

diferenças existentes nas características do uso e da ocupação da terra no interior da

cidade.

Diversos tipos de materiais construtivos absorvem e retêm mais radiação solar do

que os materiais naturais em áreas rurais ou menos urbanizadas, favorecendo a geração de

ilhas de calor nas áreas densamente construídas.

1Mestrando do programa de pós-graduação em Geografia da Universidade Estadual Paulista (UNESP), Presidente Prudente-SP. E-mail de contato: [email protected] 2 Docente do programa de pós-graduação da Universidade Estadual Paulista (UNESP), Presidente Prudente-SP. E-mail de contato: [email protected]

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A utilização de técnicas do sensoriamento remoto tem sido um instrumento bastante

importante para a elaboração de diagnósticos das ilhas de calor de superfície e identificação

dos níveis de vegetação.

Tais técnicas podem ser consideradas como um avanço no campo da cartografia e

consequentemente se apresentam como progressos no campo dos procedimentos

metodológicos nos estudos de clima urbano.

Partindo desses pressupostos, fica cada vez mais evidente, nos últimos anos, a

importância dos trabalhos utilizando as técnicas do sensoriamento remoto, por meio da

utilização do sensor infravermelho termal das imagens de satélites para o diagnóstico das

ilhas de calor de superfície e as bandas do vermelho e infravermelho próximo para a

identificação de áreas com maiores índices de vegetação.

Assim, é possível obter o maior grau de detalhamento numa visão espacial das

temperaturas de superfície, podendo se relacionar com a ausência ou não de áreas verdes.

Deste modo, é possível identificar as áreas mais quentes e correlacionar com o uso e

ocupação da terra em determinada região e seu entorno.

O trabalho teve como objetivo analisar as características do índice de vegetação em

relação às diferenças de temperaturas de superfície intraurbanas e rural, em episódios de

verão e inverno, na cidade de Ubatuba-SP.

O município de Ubatuba (Figura 1) está localizado no Litoral Norte do estado de São

Paulo, na latitude do Trópico de Capricórnio. Apresenta uma área continental de 723 km²

(Censo IBGE 2010) e situa-se numa área de transição climática entre os sistemas

atmosféricos intra e extratropicais, apresentando maior atuação dos sistemas tropicais e

grande atividade frontal.

A área está localizada entre o cume das escarpas cristalinas da Serra do Mar e a

linha de costa, possui uma faixa litorânea relativamente estreita que varia de 8 a 16 km de

largura e 92 km de extensão.

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Figura 1 – Localização do município de Ubatuba, São Paulo, Brasil

Segundo Cruz (1990), este trecho do litoral paulista apresenta-se muito recortado,

compostos por enorme quantidade de vertentes alongadas, na sua maioria escarpadas, com

fortes amplitudes topográficas entre os topos e o fundo dos vales e com a presença de

escarpas festonadas, que em muitos casos, terminam diretamente no oceano.

2 – Clima e sensoriamento remoto

Este trabalho se fundamenta a partir da proposta teórico-metodológica elaborada por

Monteiro (1976), que se refere aos estudos do Sistema Clima Urbano, neste caso, com

ênfase no subsistema termodinâmico.

Segundo Monteiro (1976), a responsabilidade desse subsistema está vinculada a

uma co-participação (intercâmbio) entre o homem e a natureza, pois, seu insumo está

relacionado a radiação solar (balanço de energia) e sua transformação está diretamente

atrelada ao uso da terra, a morfologia urbana e aos materiais construtivos utilizados.

Segundo Oke (1987), as ilhas de calor urbanas podem ser diferenciadas em três

tipos: 1 – a ilha de calor superficial diagnosticada por meio do sensoriamento remoto; 2 – a

ilha de calor atmosférica inferior (urban canopy layer), compreendida entre o nível do solo e

o nível médio dos telhados; 3 - a ilha de calor da atmosfera urbana superior (urban boundary

layer). Esta se sobrepõe à anterior e se estende por vezes até à atmosfera livre.

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A característica mais significativa da ilha de calor é sua intensidade, entendida como

a diferença entre o máximo da temperatura urbana e o mínimo da temperatura rural (OKE,

1987).

Esta característica está relacionada com os fatores que contribuem para a formação

da ilha de calor, tais como, os fatores naturais (situação sinótica, relevo e presença de

superfícies com vegetação e/ou água) ou propriamente urbanos (morfologia urbana e

atividades antropogênicas) (AMORIM, 2010).

Deste modo, com a evolução das técnicas e a facilidade de acesso as imagens

orbitais, o sensoriamento remoto tem se tornado um importante instrumento para o

monitoramento de processos ambientais e tem sido usado com grande frequência nos

estudos de climatologia contribuindo para elaboração de diagnósticos das ilhas de calor de

superfície, identificação dos níveis de vegetação e possibilitando a tomada de decisão para

a preservação ambiental (RAMOS et al., 2010).

Segundo Meneses e Almeida (2012), o termo sensoriamento remoto foi introduzido

no início dos anos 1960 e se tornou uma das mais bem sucedidas tecnologias de coleta

automática de dados para o levantamento e monitoramento dos recursos terrestres em

diferentes escalas, sobretudo, na escala global.

De acordo com Jensen (2009), o sensoriamento remoto consiste no registro da

informação de uma determinada região, sem contato, por meio de instrumentos, tais como,

dispositivos localizados em plataformas como aeronaves ou satélites, e a análise da

informação adquirida por meio visual ou processamento digital de imagem. O objeto

imageado é registrado pelo sensor por meio de medições da radiação eletromagnética, tal

como a luz solar refletida da superfície de qualquer objeto.

Os sensores remotos são dispositivos capazes de registrar a radiação

eletromagnética, expressa em termos de comprimento de ondas. O espectro

eletromagnético é dividido em regiões ou faixas espectrais, assim, cada alvo da superfície

terrestre que emite ou reflete radiação tem um comportamento de onda diferenciado no

espectro eletromagnético.

Neste trabalho optou-se pela utilização do canal infravermelho termal para

diagnosticar a distribuição da temperatura de superfície e também a utilização do cálculo do

Índice de Vegetação Diferencial Normalizada (NDVI) - (Normalized Difference Vegetation

Index), para identificar os diferentes níveis de vegetação.

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O NDVI é calculado utilizando as porções da energia eletromagnética refletida pela

vegetação nas bandas do vermelho (comprimento de onda = 0,64 – 0,67 micrômetros) e do

Infravermelho próximo (comprimento de onda = 0,85 – 0,88 micrômetros)3.

O princípio físico do NDVI se baseia na assinatura espectral das plantas. As plantas

verdes e com vida absorvem fortemente radiação solar na região do vermelho para utilizar

esta radiação como fonte de energia no processo de fotossíntese. Por outro lado, as células

das plantas refletem fortemente na região do infravermelho próximo. As porções absorvidas

no vermelho e refletidas no infravermelho variam de acordo com as condições das plantas.

Quanto mais verdes, nutridas, sadias e bem supridas do ponto de vista hídrico for a planta

maior será a absorção do vermelho e maior será a reflectância do infravermelho. Assim a

diferença entre as reflectâncias das bandas do vermelho e do infravermelho será tanto maior

quanto mais verde for a vegetação (VELASCO et al., 2007).

Deste modo, os dados de temperatura da superfície sobrepostos com as

informações de uso e ocupação da terra, configuram-se em um indicador importante para a

análise de qualidade ambiental urbana. A vegetação tem um papel fundamental na

paisagem das cidades, e atua como um dos fatores principais na escala intraurbana, no que

se refere ao conforto térmico e consequentemente à qualidade de vida das pessoas.

3 – Procedimentos Metodológicos

A verificação da temperatura de superfície ocorreu por meio da utilização de técnicas

do sensoriamento remoto. As imagens do satélite Landsat-8 do canal infravermelho termal

(banda 10), com resolução espacial de 30 metros, foram adquiridas gratuitamente através

do site da organização "United States Geological Survey" (USGS)4, e correspondem à

órbita/ponto 218/76.

Os procedimentos para o mapeamento da temperatura da superfície foram

realizados no aplicativo IDRISI5 versão TAIGA. Utilizaram-se as constantes de calibração do

sensor do satélite para a conversão dos números digitais em energia radiante,

representados em tons de cinza.

A conversão dos níveis de cinza para informações de radiância foi realizada após a

criação de um projeto para importar a imagem do canal térmico (banda 10) no Idrisi, e com a

aplicação da equação (Quadro 1):

(1)

3http://landsat.usgs.gov/band_designations_landsat_satellites.php 4Disponível em <http://earthexplorer.usgs.gov>. 5Idrisi é marca registrada da Clark Labs.

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Lλ Radiância do topo da atmosfera (Watts/(m2 * srad * μm))

ML

Fator multiplicativo de redimensionamento de cada banda presente nos

metadados (RADIANCE_MULT_BAND_x, onde x é o número da banda)

Qcal Valores de pixel quantificados e calibrados do produto padrão (DN)

AL

Fator aditivo de redimensionamento de cada banda presente nos metadados

(RADIANCE_ADD_BAND_x, onde x é o número da banda)

Quadro 1 – Elementos da fórmula de conversão para radiância6

Em seguida, a partir da energia radiante foi possível obter a temperatura dos alvos,

em Kelvin, por meio da seguinte equação (Quadro 2):

(2)

T Temperatura efetiva no satélite em Kelvin

K2 Constante de calibração 2

K1 Constante de calibração 1

L Radiância espectral, em Watts / (metro quadrado ster * * mm).

Quadro 2 – Elementos da fórmula de conversão para Kelvin7

Após esses procedimentos, aplicou-se a fórmula para converter a temperatura Kelvin

em graus Celsius, subtraindo os valores de temperatura de cada pixel da imagem por

273,15, por meio da equação (Quadro 3):

(3)

°C Temperatura da imagem em graus Celsius

𝑰𝒎𝒈𝑲 Temperatura da imagem em Kelvin

Quadro 3 – Elementos da fórmula de conversão para graus Celsius

6 Os valores de radiância espectral correspondentes aos elementos da fórmula são encontrados no arquivo metadados que são baixados em conjunto com os arquivos das imagens. 7 Os valores das constantes de calibração correspondentes na fórmula são encontrados no arquivo metadados que são baixados em conjunto com os arquivos das imagens.

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Para este trabalho foram selecionadas cartas de temperatura da superfície

representativas do verão e do inverno, uma vez que estas são as estações do ano em que a

incidência de radiação solar mais se distingue e assim, resultam em diferentes respostas da

superfície. Para tanto, foram utilizadas imagens de satélite capturadas nos dias 19 de

janeiro e 28 de junho de 2015.

Para a verificação dos níveis de vegetação, foi o utilizado o Índice de Vegetação

Diferencial Normalizada (NormalizedDifferenceVegetation Index – NDVI). O cálculo do NDVI

foi elaborado no aplicativo Quantum GIS 2.10.18 e trata-se do modelo resultante da

combinação dos níveis de reflectância das bandas espectrais do vermelho e infravermelho.

As reflectâncias das bandas 4 (vermelho) e 5 (infravermelho próximo) do satélite Landsat-8,

capturas no mesmo dia das imagens termais, resolve-se pela seguinte equação (Quadro 4):

(4)

IVP Valor da reflectância da banda no Infravermelho próximo

VP Valor de reflectância da banda no vermelho

Quadro 4 – Elementos da fórmula do calcúlo do NDVI

A aplicação da equação gera um índice que varia de (-1) a (+1), neste caso, quanto

maior o valor do índice (próximo de +1), maior a presença de vegetação no período

analisado.

Posteriormente, para a seleção das áreas que compreendem a cidade na imagem de

satélite, foi importada a malha de setor censitário georreferenciada disponibilizada pelo

Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE). Assim, foram possíveis as análises da

distribuição da temperatura e da densidade de vegetação em Ubatuba, bem como a

identificação das ilhas de calor de superfície, por meio do sensoriamento remoto.

4 - Resultados

A utilização do sensor infravermelho termal é uma técnica importante para fornecer a

temperatura qualitativa da cidade, que muito pode contribuir na perspectiva do planejamento

urbano, na medida em que são definidos padrões na distribuição da temperatura da

superfície de acordo com o uso e a ocupação da terra (AMORIM et al., 2011).

8Quantum GIS é marca registrada da QGIS.

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Analisando a imagem do satélite da área urbana de Ubatuba e seu entorno,referente

ao episódio de verão(Figura 2), capturada no dia 19 de janeiro de 2015, pode-se perceber

que as temperaturas dos alvos se apresentaram bastante elevadas, atingindo 37oC.

Área central (calçadão)Bairro periférico (Ipiranguinha)

Área preservada da serra do mar

Condomínio próximo

a orla da praia

(Praia do Tenório)

Figura 2 – Carta de temperatura da superfície para o episódio de verão da área urbana do município de Ubatuba-SP elaborada a partir da imagem do infravermelho termal (banda 10) do sensor TIRS do

Landsat-8 de 19/01/2015

A cidade respondeu de forma mais significativa aos efeitos da radiação solar no

episódio de verão, chegando a apresentar 13oC de diferença entre as áreas preservadas da

serra do mar e o centro da cidade, e também em relação aos bairros periféricos de baixo

padrão construtivo, variando em termos absolutos entre 24oC e 35oC.

Como pode-se observar na Figura 2, no condomínio de alto padrão construtivo

localizado na orla da praia, as temperaturas permaneceram em torno de 28oC e 29oC,

sobretudo, devido a qualidade dos materiais e pela presença marcante de vegetação

arbórea.

De acordo com a carta de NDVI para o episódio de verão (Figura 3), também é

possível notar a diferenciação entre a área urbana e seu entorno, estando a cidade com

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valores próximos a zero, enquanto que o campo apresentou predominância de valores

positivos.

Figura 3 – Carta de NDVI para o episódio de verão da área urbana do município de Ubatuba-SP

elaborada a partir da imagem do vermelho (banda 4) e infravermelho próximo (banda 5) do Landsat-8 de 19/01/2015

A coloração verde expressa valores que representam altos índices de vegetação

(valores positivos), já a coloração vermelha representam ausência de vegetação (valores

negativos), neste caso, representado pela água do mar, pois a água apresenta valores de

reflectância maiores no visível do que infravermelho. A coloração bege e laranja

correspondem aos valores próximos de zero, e consequentemente, baixos índices de

vegetação. Na carta estão representadas pelas áreas construídas.

Assim, pode-se observar que todo o entorno, marcado pela presença das escarpas

da serra do mar e pela densidade da cobertura vegetal proveniente da mata Atlântica,

representam valores próximos do extremo positivo (0,6). Entretanto, esse valor diminui

gradativamente quando se aproxima do ambiente construído na área central da cidade,

evidenciando a pouca cobertura vegetal no espaço intraurbano.

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Na imagem do satélite referente ao episódio de inverno (Figura 4), capturada no dia

28 de junho de 2015, as temperaturas absolutas dos alvos foram mais amenas por toda a

cidade, entretanto, também pode-se notar diferenças de até 11oC do centro da cidade em

relação às demais áreas.

Área central

Orla da praia do centro

Área preservada da serra do mar

Vertente voltada para sudoeste

(Bairro Toninhas) Figura 4 – Carta de temperatura da superfície do episódio de inverno da área urbana do município de

Ubatuba-SP elaborada a partir da imagem do infravermelho termal (banda 10) do sensor TIRS do Landsat-8 de 28/06/2015

Deste modo, no que diz respeito à análise das temperaturas das superfícies

intraurbanas, percebeu-se claramente a influência e a importância da vegetação para o

aumento ou não da temperatura da superfície. Nas áreas mais próximas às escarpas

preservadas da Serra do Mar, as temperaturas se apresentaram de forma mais amenas do

que nas áreas densamente urbanizadas.

Mesmo com diferenças absolutas bastante significativas entre os dois episódios

(verão e inverno), constatou-se que as áreas com temperaturas de superfícies mais

elevadas se repetiram nos dois casos, sendo possível identificar grandes ilhas de calor

urbana de superfície espalhadas pela cidade, sobretudo na área central, densamente

urbanizada.

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De acordo com a carta de NDVI para o episódio de inverno (Figura 5), é possível

perceber que com a diminuição da precipitação e da temperatura nesta época do ano, a

vegetação fica menos exuberante. Assim, como se trata de uma área com declividade

acentuada na Serra do Mar é possível identificar em vários pontos de relevo

escarpado(acima de 75% de declividade) a presença de rocha exposta ou com vegetação

pouco densa.

Figura 5 – Carta de NDVI para o episódio de inverno da área urbana do município de Ubatuba-SP

elaborada a partir da imagem do vermelho (banda 4) e infravermelho próximo (banda 5) do Landsat-8 de 28/06/2015

Os resultados mostraram que houve uma grande diferença das temperaturas da

superfície nos episódios de verão e inverno, sendo que em ambos os casos as maiores

temperaturas foram encontradas em áreas com baixa densidade de vegetação.

O NDVI também se apresentou com índices associados no município de Ubatuba,

quando o solo com vegetação perde energia através dos processos de fotossíntese,

evaporação e evapotranspiração, sendo que nos dois últimos há a transformação do calor

sensível em calor latente, diminuindo a temperatura.

Deste modo, nota-se que a temperatura da superfície da área urbana de Ubatuba é

resultado direto da cobertura do solo pela presença ou não de vegetação, ou seja, os locais

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com menores valores de NDVI se mostraram com maiores temperaturas da superfície,

enquanto que áreas com maiores valores NDVI, apresentaram as menores temperaturas.

5 – Considerações finais

A utilização das técnicas do sensoriamento remoto é importante para os estudos no

campo da climatologia urbana. Por meio das informações geradas através dessas técnicas

foi possível verificar as diferenças das temperaturas dos alvos no ambiente urbano, a

caracterização das ilhas de calor de superfície e a identificação do índice de vegetação na

cidade de Ubatuba-SP.

A análise das temperaturas das superfícies intraurbanas mostrou claramente a

influência e a importância da vegetação para o aumento ou não da temperatura dos alvos.

Nas áreas mais próximas as escarpas preservadas da Serra do Mar, as temperaturas se

apresentaram de forma mais amenas do que nas áreas densamente urbanizadas.

Mesmo com diferenças absolutas bastante significativas entre os dois episódios

(verão e inverno), constatou-se que as áreas com temperaturas de superfícies mais

elevadas se repetiram nos dois casos, sendo possível identificar ilhas de calor de superfície

espalhadas pela área central da cidade.

O monitoramento com o sensoriamento remoto, por meio dos seus índices como o

NDVI, que tem sido aperfeiçoado e constantemente aplicado na avaliação da vegetação,

neste caso, a aplicação se mostrou bastante adequada e pode contribuir no estudo do clima

urbano.

6 – Referências AMORIM, M.C.C.T. Climatologia e Gestão do Espaço Urbano. Revista Mercator, p. 71-90, 2010.

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