65ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 3. Engenharia Civil

BALANÇO HÍDRICO E UMIDADE DO SOLO VIA MODELAGEM HIDROLÓGICA UTILIZANDO IMAGENS LANDSAT5-TM PARA IDENTIFICAÇÃO DA COBERTURA E USO DO SOLO, ÍNDICE DE VEGETAÇÃO NDVI E TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE DO SOLO NA BACIA DO RIO GRANDE – CAMARGOS/MG

Marcel Emanuelli Rotunno - Aluno do curso de Engenharia Cartográfica - UERJ Renan Emanuelli Rotunno - Aluno do curso de Engenharia Eletrônica e de Computação - UFRJ Daniel Medeiros Moreira - Doutorando/Orientador – Programa de Engenharia Civil - COPPE/UFRJ Andrews José de Lucena - Doutorando/Orientador – Programa de Engenharia Civil - COPPE/UFRJ Leonardo de Faria Peres - Prof. Dr./Orientador – Departamento de Meteorologia – IGEO/UFRJ Afonso Augusto Magalhães de Araujo - Prof. Dr./Orientador - Escola Politécnica/UFRJ

INTRODUÇÃO:

O reconhecimento de que é necessário integrar modelos hidrológicos, medições in situ e imagens de satélite é crescente com vistas a melhor compreender a dinâmica dos fenômenos físicos que compõem o ciclo hidrológico na escala da bacia hidrográfica. Complementarmente, o conhecimento de variáveis geofísicas e suas inter-relações, incluindo os campos de conhecimento da hidrologia e da meteorologia, permite melhor gerir os recursos hídricos, em quantidade e em qualidade, subsidiando o adequado planejamento de áreas rurais e urbanas, na medida em que se investiga o comportamento dos fluxos de massa e de energia na escala da bacia hidrográfica. Neste trabalho, conduz-se uma classificação multitemporal de imagens de satélite Landsat5-TM para detecção de mudanças no uso e cobertura do solo e do índice de vegetação por diferença normalizada (NDVI) e padrões espaciais associados de temperatura do solo na bacia hidrográfica de Camargos, sub-bacia do rio Grande, situada no estado de Minas Gerais, simultaneamente com a calibração do modelo SMAP II para diferentes períodos de tempo. Adicionalmente, índices de umidade do solo são gerados a partir da temperatura de superfície e do NDVI. A abordagem metodológica evidencia sinergias entre o uso de informações satelitais e modelagem hidrológica.

OBJETIVO DO TRABALHO:

O presente trabalho explora o balanço hídrico realizado via modelo chuva-vazão SMAP II com apoio de imagem Landsat5-TM para discriminar a cobertura e uso do solo, índice de vegetação NDVI e correspondentes variações de temperatura e de umidade do solo na escala da bacia hidrográfica.

MÉTODOS:

O estudo abrangeu desde a identificação e aquisição de 5 imagens de satélite Landsat (24/08/1995, 16/08/1998, 23/11/1999, 21/08/2000, 14/08/2003) para a bacia de Camargos/MG, com área de 6279 km2, no período entre 1995 e 2003, até a análise do uso e cobertura do solo no período estudado por meio da classificação de máxima verossimilhança e, em especial, do índice de vegetação por diferença normalizada (NDVI). Padrões espaciais da temperatura da superfície do solo foram obtidos mediante o emprego da equação inversa de Planck aplicada à banda termal do satélite Landsat5-TM. A partir da temperatura de superfície e do índice de vegetação NDVI, são construídos índices espaciais de umidade do solo. Foram identificadas as respostas espectrais presentes segundo as seguintes classes: floresta, mata secundária e água. O coeficiente kappa foi empregado para avaliar a precisão do processo de classificação. Para o mesmo período (1995-2003), empregou-se o modelo SMAP II com o método de calibração de parâmetros denominado Rosenbrock e com dados hidrometeorológicos. Na modelagem chuva-vazão, há o desafio do ajuste dos parâmetros à bacia hidrográfica, avaliando-se a evolução da cobertura e uso do solo, com enfoque especial no acompanhamento do comportamento da umidade do solo.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

A classificação das imagens pelo método de máxima verossimilhança permitiu identificar a diminuição das áreas cobertas por florestas e conseqüente acréscimo de áreas urbanas ou vegetação antrópica, com reflexos na variabilidade do índice de vegetação NDVI. Esses resultados foram contrastados com os parâmetros do SMAP II, obtidos pelo método de Rosenbrock. Esse conjunto final de parâmetros, obtido para cada período de tempo contido entre 1995 e 2003, foi, então, empregado para o estabelecimento da variação de cada parâmetro calibrado do modelo ao longo do tempo. Na seqüência, foi possível estabelecer relações entre os valores dos parâmetros do modelo SMAPII e os percentuais de cobertura e uso de solo para as classes discriminadas. Os resultados indicaram que o parâmetro de recessão do escoamento subterrâneo foi o mais sensível à mudança da cobertura e uso do solo. No que concerne aos padrões espaciais de temperatura e do NDVI, nos espaços ocupados por mata secundária, identificou-se temperatura mais elevada do que nos espaços ocupados por floresta. Por fim, foi possível identificar padrões espaciais de variabilidade da umidade volumétrica do solo construídos a partir da temperatura de superfície e do índice de vegetação, ambas as variáveis obtidas por satélite.

CONCLUSÕES:

O trabalho evidencia a possibilidade de determinação da umidade do solo na escala da bacia hidrográfica por sensoriamento remoto, de forma integrada com a modelagem hidrológica conceitual do tipo chuva-vazão, ao mostrar a possibilidade de acompanhamento da evolução da cobertura e uso do solo e de índices de vegetação e dos padrões espaciais de temperatura via imagens de satélite Landsat5-TM, que abrangem a parte do visível e do infravermelho do espectro eletromagnético. O trabalho possibilitou melhor explorar as relações dinâmicas e adaptativas de uso da água na escala da bacia hidrográfica, incluindo a inter-relação dos padrões espaciais de temperatura com o mapeamento de índices de vegetação e de cobertura e uso do solo via satélite. Os estudos aqui conduzidos estimulam que novas campanhas e experimentos de campo sejam conduzidos e direcionados para a coleta de umidade do solo e temperatura de superfície, de forma a melhor calibrar e validar as relações estabelecidas por satélite bem como para o modelo SMAPII na bacia estudada. Adicionalmente, pode-se antever aplicações extensivas a outros modelos concentrados, semi-distribuídos e distribuídos na bacia analisada ou ainda em outras bacias hidrográficas brasileiras.

Palavras-chave: Modelagem chuva-vazão, Sensoriamento Remoto, Umidade do solo.