ANÁLISE COMPARATIVA DO NDVI PARA A ESTAÇÃO CHUVOSA NOS ANOS 1992 E 2002 NA CIDADE DE PRESIDENTE PRUDENTE-SP Mariana Cristina da Cunha Souza¹ Margarete Cristiane de Costa Trindade Amorim² Vincent Dubreuil³ ¹ Universidade Estadual Paulista – Faculdade de Ciências e Tecnologia..
[email protected] ² Universidade Estadual Paulista – Faculdade de Ciências e Tecnologia.
[email protected] ³ Université Rennes 2 – LETG-Rennes-COSTEL
[email protected] Resumo: Este trabalho teve como objetivo realizar uma análise comparativa e temporal dos valores gerados pelo Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI) para a estação chuvosa nos anos 1992 e 2002 na cidade de Presidente Prudente (SP). O NDVI é importante em estudos sobre a vegetação existente na superfície terrestre e permite identificar possíveis alterações na mesma ao longo do tempo. As cenas utilizadas para a geração das cartas de NDVI são do satélite americano LANDSAT séries 5 e 7. Os resultados demonstraram um padrão para todos os anos em relação à ocorrência de pixels com valores positivos, especialmente em áreas do entorno e áreas mais centrais da malha urbana, que correspondem a fragmentos de vegetação arbórea densa e a áreas verdes públicas existentes no município, respectivamente. Por outro lado, os valores negativos de pixels concentraram-se a Leste e Noroeste da cidade, onde se localiza o centro antigo, cuja característica é a alta densidade de construção e baixa presença de vegetação arbórea e o Balneário Municipal. Os resultados também mostraram que durante o período de tempo analisado houve mudanças nos valores de pixels registrados em 1992 e 2002, o que pode significar um adensamento demográfico e construtivo na cidade e alterações na densidade da vegetação existente em sua superfície terrestre, devido, principalmente, ao seu processo de expansão territorial no eixo Oeste, Sul e Sudeste.
Palavras-chave: Sensoriamento Remoto; Índice de Vegetação; Presidente Prudente.
Abstract: This study aimed at comparing and temporal values generated by Vegetation Index (NDVI) for the rainy season in the years 1992 and 2002. The NDVI is important in the study of existing vegetation on the earth surface and allows to identify possible changes over time. The scenes used to generate the NDVI cards are the American satellite Landsat series 5 and 7. The results showed a pattern for all years from the occurrence of pixels with positive values, especially in areas surrounding and most central areas of the urban network, corresponding to dense tree vegetation fragments and public green areas in the municipality, respectively. On the other hand, the negative values of pixels concentrated to East and Northwest of the city, home to the old center, whose characteristic is the high density of construction and low presence of woody vegetation and the Municipal Balneary. The results also showed that during the
analyzed time period there were changes in pixel values recorded in 1992 and 2002, which may mean a demographic and constructive densification in the city and changes in the density of the existing vegetation in land surface, due mainly to its process of territorial expansion in the West, South and Southeast axis.
Key-words: Remote Sensing; Vegetation Index; Presidente Prudente.
1. Introdução
O uso do sensoriamento remoto em estudos sobre o monitoramento da vegetação tem sido fundamental e baseia-se, prioritariamente, na aplicação de índices de vegetação. O mais comumente utilizado é o Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI) que destaca o alvo vegetação em detrimento de outros alvos e a partir das imagens geradas, identifica as áreas onde os valores de NDVI são maiores ou menores. Este índice, bem como outros, é formulado a partir das medidas de reflectância nas faixas do vermelho e do infravermelho próximo do espectro eletromagnético. A região espectral do vermelho compreende o intervalo entre 0,630 a 0,690µm e permite diferenciar a vegetação dos diferentes usos da terra, como áreas de cultivo agrícola, de solo exposto, das áreas urbanas e das estradas, pois a vegetação absorve bastante energia nesta região do espectro, apresentando uma coloração mais escura nas cenas. Já a região espectral do infravermelho próximo, entre o intervalo de 0,760 a 0,900µm também é útil para diferenciar a vegetação do uso da terra e dos cursos d’água, por exemplo, porque nesta região do espectro a vegetação reflete bastante REM e apresenta-se com uma coloração mais clara nas cenas (Rosa, 1992; Moreira e Shimabukuro, 2004; Jensen, 2009). Assim sendo, o objetivo deste trabalho foi realizar uma análise comparativa e temporal dos valores gerados pelo NDVI na estação chuvosa nos anos 1992 e 2002 na cidade de Presidente Prudente-SP (Figura 1), identificando possíveis alterações na vegetação presente em sua superfície terrestre.
Figura 1 – Mapa da localização de Presidente Prudente no estado de São Paulo
Presidente Prudente é uma cidade que vem apresentando um ritmo de crescimento urbano e populacional significativo e tem adquirido características das cidades de porte médio do Brasil, como a crescente expansão territorial urbana baseada nos pressupostos da especulação imobiliária, a concentração de serviços e o papel de centralidade regional, lodo, acredita-se que seu espaço urbano tenha passado por modificações ao longo dos anos. 2. Procedimentos metodológicos O procedimento metodológico consistiu no download das imagens de satélites disponíveis gratuitamente na plataforma on-line do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)1 na aba “catálogo de imagens”. As cenas utilizadas do LANDSAT séries 5 e 7 datam de 20/03/1992 e 08/03/2002. Optou-se pela padronização dos meses referentes à tomada da imagem pelo satélite (final do verão), a fim de que as análises realizadas estivessem coerentes e representativas da realidade estudada. Posteriormente à seleção das cenas, foi aplicada a correção atmosférica automática disponível no Software Idrisi 17.0 versão Selva, na aba Image Processing > Restoration > Módulo ATMOSC. A correção é importante porque minimiza os efeitos da interação 1
Disponível em:.
entre a atmosfera e a energia eletromagnética, dinâmica que consequentemente altera o fluxo radiante que provém do alvo e que é captado pelo sensor (Chavez Jr., 1996). Após esta etapa, trabalhou-se com o cálculo (Equação 1) para a geração do NDVI. NDVI: (pIVP – V) /(pIVP + V)
(1)
Onde, na equação (1), tem-se que: - pIVP: valor da reflectância da banda no infravermelho próximo (0,75 – 0,90 μm); - pV: valor de reflectância da banda no vermelho (0,63 – 0,70 μm) (Rosemback et. al., 2005). Nas imagens que resultam da equação 1 os níveis de cinza mais claros – valores próximos a +1 - representam maior densidade de vegetação e os níveis de cinza mais escuros – valores próximos de -1 - representam baixa densidade de vegetação. O cálculo foi realizado no Software Idrisi 17.0 versão Selva, a partir das ferramentas Image Processing > Transformation > Módulo VEGINDEX. Com o intuito de complementar as interpretações das cartas NDVI, trabalhou-se também com informações sobre a precipitação acumulada em Presidente Prudente, obtidas junto a Estação Meteorológica da cidade. Uma relação simples entre as cartas NDVI e os dados de precipitação é que a variância do NDVI entre os valores de -1 a +1 sofre influência pela presença e/ou ausência da água no solo. Acredita-se que este conjunto de procedimentos metodológicos permitiu uma análise temporal e comparativa dos valores de NDVI e de possíveis alterações na densidade
da
vegetação
existente na superfície terrestre em
Presidente
Prudente,
de
forma satisfatória. 3. Resultados e Discussão Os resultados obtidos com a geração das cartas de NDVI permitiram considerações.
tecer
algumas
Primeiramente,
para março de 1992 (Figura 2), a ocorrência de píxeis com valores
negativos foi considerada baixa e a ocorrência de píxeis com valores positivos, considerada alta, sendo que o maior valor possível de NDVI, +1, foi registrado pelo histograma. A figura 2 demonstra que as áreas onde ocorreram os maiores valores de píxeis negativos correspondem ao quadrilátero central, onde se localiza o centro antigo municipal no setor Leste da malha urbana (A) e ao Balneário Municipal (B), conhecido como Balneário da Amizade no setor Noroeste. A coloração vermelha intensa observada nos pontos A e B acontecem devido às diferenças de reflectância da água e do concreto porque estes alvos refletem mais na região do visível do que na região do infravermelho próximo do espectro eletromagnético. Por outro lado, os píxeis com valores positivos concentraram-se próximos ao ponto C e nas áreas de entorno da malha urbana (Pontos D e E). Para março de 1992, este padrão significa a existência de fragmentos de vegetação densa e úmida dentro da malha urbana e no seu entorno imediato. Os dados de precipitação acumulada para o mês que antecedeu a tomada da cena pelo satélite, fevereiro/1992, foi de 199 mm e em março/1992, mês de tomada da imagem pelo satélite foi registrado o valor de 302 mm. Os dias mais chuvosos de março/1992 foram 04, 05, 08, 07, 15 e 16, logo, a presença de água no solo pode ter contribuído para a ocorrência de valores altos de NDVI, como nos pontos C, D e E. Os dados de precipitação são importantes nas interpretações das cartas porque se ocorre pouco volume de precipitação é provável que exista uma vegetação com características de estresse hídrico (Dubreuil et al., 2010). Sendo assim, a vegetação passa a absorver menos radiação solar, aumentando sua reflectância na região do visível e diminuindo-a na região do infravermelho próximo. Este processo contribui para que na imagem gerada pelo NDVI haja maior ocorrência de valores de píxeis negativos. Todavia, para março de 1992, esta dinâmica não foi observada já que os dias que antecederam à tomada da imagem foram considerados chuvosos (Poelking et. al., 2007). Relacionando a carta NDVI e a forma pela qual se deu a expansão territorial na cidade é compreensível porque em dez anos, os valores de píxeis negativos aumentaram significativamente (Figura 3). Em Presidente Prudente, durante a década de 1990 a expansão urbana passou a incorporar o sentido Leste-Oeste e foi influenciada diretamente pela implantação do Conjunto Habitacional Ana Jacinta em 1992 (Ponto F), a 7 km da área central da cidade (Setor Leste). O conjunto habitacional foi implantado para além da Rodovia Raposo Tavares e flexibilizou a expansão da
malha urbana para o setor Sudoeste, realidade percebida na imagem NDVI gerada para março de 2002 (Figura 3) (Pereira, 2002). As variações dos valores de píxeis da figura 2 para a figura
3
são
facilmente
observáveis.
Na
verifica-se
o
significativo
dos
negativos
e
figura
aumento valores
inversamente
proporcional
nota-se
diminuição
3
dos
a
valores
positivos, diferença que também se
verifica
ao
analisar
as
legendas das cartas. O cenário de
mudanças
no
período
permite inferir que houve um adensamento urbano construtivo que pode ter sido vertical e horizontal no setor leste da malha (Ponto G), decorrente, por exemplo, do aumento populacional. No período (1992-2002) a população local passou de aproximadamente 170.000 mil habitantes para aproximadamente 190.000 mil e esta realidade contribui diretamente no incremento da demanda por habitação, serviços e equipamentos públicos, o que diretamente contribui para a impermeabilização do solo urbano (IBGE, 2000). Nota-se, igualmente, que a expansão territorial urbana da cidade no sentido Oeste pode ter impactado a densidade da vegetação presente na área central da cidade (Ponto H). Esta informação é comprovada quando se compara a mesma área nos dois anos analisados e sendo a expansão territorial urbana um dos processos que mais impactam e alteram a paisagem e a superfície terrestre, julgou-se necessário estimar a área urbanizada da cidade nos dois anos, para corroborar esta hipótese. Assim, a partir do software ArcGis versão 10.1 e tendo como referência as cenas de 1992 e 2002, chegou-se ao resultado de que em 1992 a área urbanizada da cidade compreendia aproximadamente 51,33km², já em 2002 ela passou a ocupar aproximadamente 62,85km² da unidade territorial do munícipio. Comparativamente, as cartas NDVI possibilitam interpretações de que houve alteração na densidade da vegetação observada na área central da cidade (Ponto H).
Contudo, também é possível destacar permanências como a vegetação presente no entorno da malha urbana, onde os valores de píxeis positivos continuaram altos em ambos os anos (Pontos D e E). O ponto E, por exemplo, representa um fragmento de vegetação densa conhecido como a Mata do Furquim. Na figura 3, tem-se o ponto I, onde se localiza a área verde Parque do Povo que compreende uma extensão territorial considerável dentro da malha urbana, todavia nas cartas ela não se destaca significativamente devido à resolução espacial do satélite de 30 metros, que causa uma generalização nos valores de píxeis registrados pelo NDVI. Historicamente, as regiões de entorno do Parque do Povo foram valorizadas após a canalização do Córrego do Veado entre os anos de 1973 a 1974, tornando-se atrativas para as classes com poder aquisitivo mais elevado. Neste setor da cidade, onde também se encontra o Jardim Bongiovani (J), que teve suas infraestruturas melhoradas durante a década de 1980 e que contribuiu diretamente para aumento da concentração populacional urbana nesta área, hoje se aloja um prédio de uma Universidade particular consolidado como um importante complexo universitário durante os anos 2000 (Sposito, 1983; Pereira, 2002). Sobre os dados de precipitação para março de 2002 considerou-se que foi um mês pouco chuvoso, com um total acumulado de 35.7 mm e não tendo registro de chuva durante os dias que antecederam à tomada da cena, no dia 08 de março. Sobre o mês que antecedeu à tomada da imagem pelo satélite, fevereiro de 2002, houve o registro de 67.1 mm de chuva acumulada, também considerado baixo. Na carta NDVI gerada para este ano, a vegetação provavelmente apresentava-se com características de estresse hídrico, o que pode ter influenciado no aumento da ocorrência de píxeis com valores negativos. Por síntese, observou-se que para todos os anos os maiores valores de NDVI positivos concentraram-se no entorno da malha urbana, onde se encontra a Mata do Furquim que é um fragmento de vegetação densa existente na cidade e na área central, que corresponde ao setor onde se localizada o Parque do Povo. Por outro lado, os maiores valores de NDVI negativos localizaram-se no setor leste da malha urbana onde esta o centro antigo e a noroeste, onde existe o Balneário Municipal. 4. Considerações Finais A elaboração deste trabalho demonstrou que a teledetecção remota em conjunto com a geração do índice NDVI foi primordial para se compreender possíveis alterações
da vegetação existente na superfície terrestre em Presidente Prudente, bem como o sentido de sua expansão territorial. O índice comprovou sua eficiência na análise do alvo vegetação, principalmente, porque permitiu o entendimento da sua resposta espectral em diferentes momentos históricos, sob diferentes características físicas e de condições ambientais. Os dados de precipitação também foram importantes para a interpretação das cartas, visto que a componente hídrica influencia na ocorrência de valores positivos ou negativos de NDVI. Por fim, acredita-se que o conjunto metodológico utilizado foi indispensável para se chegar aos resultados e tecer as considerações apresentadas. Agradecimentos Agradecemos
ao
Conselho
Nacional
de
Desenvolvimento
Científico
e
Tecnológico (CNPQ) pela bolsa concedida e ao Programa de Pós-Graduação em Geografia da FCT-UNESP Campus de Presidente Prudente no qual os autores estão vinculados, pelo incentivo e apoio financeiro que possibilitou a participação e apresentação deste trabalho no evento. Referências CHAVES JR. P.S.Image-based atmospheric corrections – revisited and improved. Protogrammetric Engineering and Remote Sensing. v. 62, n. 9, p. 1025-1036, 1996. DUBREUIL V., Lamy C., Lecerf R., Planchon O. Monitoramento de secas na Bretanha: reconstituição histórica e abordagem por teledetecção. Mercator – Vol. 9 (1), 2010, pp.107-119. Disponível em:. Acesso em 27 de Jan. 2015. JENSEN, J.R. (1949) Sensoriamento remoto do ambiente: uma perspectiva em recursos terrestres. Tradução José Carlos Neves Epiphanio et al. São José dos Campos. São Paulo, 2009. MOREIRA, M.A.; SHIMABUKURO, Y.E. Cálculo do índice de vegetação a partir do sensor AVHRR In: Aplicações ambientais brasileiras dos satélites NOAA e TIROSN. São Paulo, Oficina de Textos, 2004, cap.4: 79-101. PEREIRA, S. R. Expansão e estruturação interna do espaço urbano de Presidente Prudente. Revista Formação (Edição Especial). n.13. vol.2, 2002. POELKING, E. L.; LAUERMANN, A.; DALMOLIN, R. S. D. Imagens CBERS na geração de NDVI no estudo da dinâmica da vegetação em período de estresse hídrico. Anais... XIII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Florianópolis, Brasil, 21-26 abril 2007, INPE, p. 4145-4150. Disponível
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