John Cunha Universidade Federal de Campina Grande Paraíba, Brasil

1. Utilização da detecção remota para estimar a distribuição espacial do balanço de energia e a evapotranspiração em regiões semi-áridas John Cunha Universidade Federal de Campina Grande Paraíba, Brasil Lisboa, 10 de novembro de 2010.

2. Projeto de Cooperação Internacional do Semi-Árido (CISA) • O projeto CISA - Cooperação Internacional do Semi-árido é financiado pelo Ministério de Ciência e Tecnologia, com recursos do CTHIDRO - Fundo Setorial de Recursos Hídricos, repassados através da FINEP e CNPq.  • O projeto tem duração de 3 anos e objetiva promover cooperação entre instituições de pesquisa voltadas para a solução dos problemas gerados pela escassez de água nas regiões semi-áridas Países parceiros no projeto Brasil, Argentina, Cabo Verde, França, Portugal, Estados Unidos Mais informações www.cisa.ufpe.br/twiki/bin/view/Cisa/WebHome www.hidro.ufcg.edu.br/twiki/bin/view/Cisa/

3. Universidade Federal de Campina Grande (UFCG) Figura 1 – Localização da cidade de Campina Grande e UFCG Mais Informações: www.ufcg.edu.br www.hidro.ufcg.edu.br/

4. Projeto GeoTermal • Geoprocessamento de dados termais e suas aplicações em estudos do regime pluviométrico no estado da Paraíba. • O Projeto tem como objetivo identificar ilhas de calor nos principais centros urbanos do estado da Paraíba a partir de imagens do infravermelho termal (temperatura de superfície), em diferentes épocas e estabelecer correlações com possíveis alterações do regime pluviométrico destas áreas (e próximo a estas), utilizando técnicas de sensoriamento remoto e geoprocessamento

5. Métodos de estimativa da evapotranspiração (ET) • Escala local • Lisímetros; • Método das correlações turbulentas; • Método do balanço de energia baseado na Razão de Bowen; • Método aerodinâmico; • Balanço hídrico no solo. • Escala regional • Utilização de técnicas de sensoriamento remoto baseado em imagens de satélites.

6. Princípios básicos • Sensores remotos • Sensores aerotransportados • Técnicas de Processamento Digital de Imagens (PDI)

7. Satélites • Satélites que possuam sensores que contenham as bandas de refletividade e infravermelho termal • Landsat 5 sensor TM • Landsat 7 sensor ETM+ • Satélites NOAA sensor AVHRR • Satélite TERRA sensores ASTER e MODIS • Satélite AQUA sensor MODIS • Satélite GOES

8. Política de dados • Brasileira - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais-INPE • Dados Gratuitos • Imagens dos satélites • Produtos de sensoriamento remoto • Produtos de Modelos Climáticos • Softwares de Processamento Digital de Imagens (PDI) e de Sistema de Informações Geográfica (SIG) Mais informações: www.inpe.br

9. Política de dados • Europa – EUMETSAT • Projetos EUMETCAST e GEONETCAST • Dados Gratuitos • Imagens de satélites • Produtos de sensoriamento remoto • Produtos de Modelos Climáticos • Softwares de Processamento Digital de Imagens (PDI) e de Sistema de Informações Geográfica (SIG) Mais informações: http://www.eumetsat.int

10. Softwares • SPRING – INPE- Brasileiro • ILWIS – ITC- Holandês • ERDAS – Software comercial

11. Algoritmo SEBAL No SEBAL a evapotranspiração é obtida como resíduo da equação clássica do balanço de energia à superfície, qual seja: onde Rn é o saldo de radiação, LE a densidade de fluxo de calor latente, H a densidade de fluxo de calor sensível e G a densidade de fluxo de calor no solo, todos em W.m-2. LE = Rn - H - G

12. Saldo de Radiação Radiação de onda Longa Radiação de onda curta onda longa emitida onda longa incidente onda longa refletida onda curta refletida onda curta Incidente Superfície vegetada Saldo de radiação = ganhos - perdas Figura 2 – Balanço de Radiação na superfície (adaptado de Allen et al., 2002)

13. Saldo de Radiação Fluxograma 1 – Etapas para obtenção do Saldo de Radiação (Rn)

14. Imagens de satélite (DN) Saldo de Radiação Banda 2 Banda 7 Banda 1 Banda 3 Banda 5 Banda 4 Banda 6 Figura 3 – Diferentes bandas do satélite LANDSAT

15. Imagens de satélite (DN) Saldo de Radiação . . . Figura 4 - Composição colorida R3G2B1 e extração dos pixels para uma planilha

16. Saldo de Radiação Fluxograma 1 – Etapas para obtenção do Saldo de Radiação (Rn)

17. Saldo de Radiação Radiância espectral monocromática Tabela 1 - Descrição das bandas do Mapeador Temático (TM) do Landsat 5, com os correspondentes intervalos de comprimento de onda, coeficientes de calibração (radiância mínima – a e máxima – b), após 5 de maio de 2003. (Chander & Markham, 2003)

18. Saldo de Radiação Radiância espectral monocromática $n4_Custom_Float + ($n5_Custom_Float - $n4_Custom_Float) * $n20_memory / 255 Figura 5 – Model Maker do Software ERDAS 9.2

19. Saldo de Radiação Fluxograma 1 – Etapas para obtenção do Saldo de Radiação (Rn)

20. Saldo de Radiação Reflectânciaplanetária Tabela 2 - Descrição das bandas do Mapeador Temático (TM) do Landsat 5, com as correspondentes irradiâncias espectrais no topo da atmosfera terrestre (TOA) .(Chander & Markham, 2003)

21. Saldo de Radiação Fluxograma 1 – Etapas para obtenção do Saldo de Radiação (Rn)

22. Saldo de Radiação Albedo Planetário Albedo da Superfície é a da radiação solar refletida pela atmosfera, que varia entre 0,025 e 0,04, mas para o modelo SEBAL é recomendado o uso do valor de 0,03, com base em Bastiaanssen (2000) é a transmissividade atmosférica que para condições de céu claro, pode ser obtida por (Allen et al., 2002)

23. Saldo de Radiação Fluxograma 1 – Etapas para obtenção do Saldo de Radiação (Rn)

24. Saldo de Radiação Índices de Vegetação Índice de Vegetação da Diferença Normalizada (NDVI) Índice de Vegetação Ajustado para os Efeitos do Solo (SAVI) O seu valor mais frequente de L = 0,5 (Huete &Warrick, 1990; Accioly et al., 2002; Boegh et al., 2002) Índice de Área Foliar (IAF)

25. Saldo de Radiação Fluxograma 1 – Etapas para obtenção do Saldo de Radiação (Rn)

26. Saldo de Radiação Emissividades Como cada pixel não emite radiação eletromagnética como um corpo negro, há a necessidade de introduzir a emissividade de cada pixel no domínio espectral da banda termal , qual seja: 10,4 – 12,5 μm. Por sua vez, quando do cômputo da radiação de onda longa emitida por cada pixel, há de ser considerada a emissividade no domínio da banda larga (5 – 100 μm). Segundo Allen et al. (2002), as emissividades e podem ser obtidas, para NDVI > 0 e IAF < 3, segundo: Para pixels com , . Para corpos de água (NDVI < 0), no caso do lago de Sobradinho e do leite do Rio São Francisco, Silva & Cândido (2004) utilizaram os valores de 0,99 e 0,985, conforme Allen et al. (2002).

27. Saldo de Radiação Fluxograma 1 – Etapas para obtenção do Saldo de Radiação (Rn)

28. Saldo de Radiação Temperatura da Superfície Onde e são constantes de calibração da banda termal do Landsat 5 –TM. (Allen et al., 2002; Silva et al., 2005)

29. Saldo de Radiação Fluxograma 1 – Etapas para obtenção do Saldo de Radiação (Rn)

30. Saldo de Radiação Radiação de Onda Longa Emitida é a emissividade de cada pixel; é a constante de Stefan-Boltzman; é a temperatura da superfície (K).

31. Saldo de Radiação Fluxograma 1 – Etapas para obtenção do Saldo de Radiação (Rn)

32. Saldo de Radiação Radiação de Onda curta incidente S é a constante solar (1367 w/m²)

33. Saldo de Radiação Fluxograma 1 – Etapas para obtenção do Saldo de Radiação (Rn)

34. Saldo de Radiação Radiação de onda longa incidente é a emissividade atmosférica, obtida por: (Allen et al., 2002) é a temperatura do ar (K) é a constante de Stefan-Boltzman

35. Saldo de Radiação Fluxograma 1 – Etapas para obtenção do Saldo de Radiação (Rn)

36. Algoritmo SEBAL No SEBAL a evapotranspiração é obtida como resíduo da equação clássica do balanço de energia à superfície, qual seja: onde Rn é o saldo de radiação, LE a densidade de fluxo de calor latente, H a densidade de fluxo de calor sensível e G a densidade de fluxo de calor no solo, todos em W.m-2. LE = Rn - H - G

37. Fluxo de calor no solo O fluxo de calor no solo (G) pode ser obtido segundo equação empírica desenvolvida por Bastiaanssen (2000), que representa valores próximos ao meio-dia: Onde é a temperatura da superfície (°C), o albedo da superfície e NDVI o índice de vegetação da diferença normalizada, todos computados pixel a pixel. Para efeito de correção dos valores do fluxo de calor no solo para corpos de água (NDVI<0), pode ser utilizada a seguinte expressão: G = 0,3Rn, usada por Silva & Cândido (2004) ou G = 0,5Rn, segundo Allen et al.(2002).

38. Algoritmo SEBAL No SEBAL a evapotranspiração é obtida como resíduo da equação clássica do balanço de energia à superfície, qual seja: onde Rn é o saldo de radiação, LE a densidade de fluxo de calor latente, H a densidade de fluxo de calor sensível e G a densidade de fluxo de calor no solo, todos em W.m-2. LE = Rn - H - G

39. Fluxo de calor sensível Equação do Fluxo de calor sensível ρ é a massa específica do ar (1,15 kg m-3) Cp é o calor específico do ar a pressão constante (1004 J kg-1 K-1) dT é a diferença da temperatura entre dois níveis Z1 e Z2 rah é a resistência aerodinâmica ao transporte de calor (s/m)

40. Fluxo de calor sensível

41. Fluxo de calor sensível Dados de uma estação agrometeorológica Dessa forma, obtém-se o coeficiente de rugosidade local em função da altura média da vegetação segundo equação de Brutsaert (1982): A velocidade de fricção é computada usando o perfil logaritmo do vento para a condição de estabilidade neutra, qual seja:

42. Fluxo de calor sensível

43. Fluxo de calor sensível Velocidade do vento a 100 metros Considerando-se, ainda, a atmosfera em equilíbrio neutro, é estimada a velocidade do vento ao nível de z = 100 m [ u100 (m/s)], chamada de blending height, onde se assume que os efeitos da rugosidade da superfície são desprezíveis, e que é dada pela equação:

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45. Fluxo de calor sensível Velocidade de fricção (u*) Com a hipótese de que é constante em toda a cena estudada, pode ser obtida a velocidade de fricção para cada pixel da imagem, através da equação: onde pode ser obtido em função do SAVI segundo equação desenvolvida por Bastiaanssen (2000):

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47. Fluxo de calor sensível Resistência aerodinâmica (rah) A resistência aerodinâmica é computada admitindo-se a atmosfera em condição de estabilidade neutra, pela seguinte expressão: Onde Z1 e Z2 são as alturas (em metros) acima da superfície.

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49. Fluxo de calor sensível Pixels “Frio” e “Quente” O cômputo da diferença de temperatura próxima à superfície dT para cada pixel é computada pelo SEBAL através de uma relação linear entre dT e (temperatura da superfície): onde os coeficientes a e b são obtidos através dos pixels âncoras (quente e frio). O pixel “frio” da imagem é escolhido admitindo-se que este se encontra numa área bem irrigada, onde se assume que o fluxo de calor sensível é nulo e o fluxo de calor latente LE é dado por:

50. Fluxo de calor sensível Pixels “Frio” e “Quente” Por sua vez, o pixel “quente” é escolhido numa área com grande fração de solo exposto, onde se assume que o fluxo de calor latente é nulo (LE = 0) e o fluxo de calor sensível H quente (w/m²) será, portanto, dado por: