PERFIL ESPECTRAL DA SOJA NO SUL DO BRASIL NA SAFRA 2000♣ Fontana, D.C.1; Weber, E.2; Guasselli, L.A.3; Martins, R.L.3 ; Gusso, A.4; Ducati, J.R.5; Figrueiredo, D.C.6 1
Enga. Agra., Dra, Fac Agronomia/UFRGS - Cx Postal 776 CEP 91501 - 970, Porto Alegre, Brasil. E-mail:
[email protected]. 2 Eng. Agr., Ms. , CEPSRM/UFRGS; 3 Geógrafo, Ms. CEPSRM/UFRGS. 4 Acadêmico do curso Física/UFRGS ; 5Físico, PhD, Diretor do CEPSRM/UFRGS; 6 Físico, Ms., CONAB. ♣
Projeto financiado pela Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB).
ABSTRACT Changes in the shape of characteristic spectral profile of soybean are associated with the development conditions of plants, especially meteorological and management. The objective of this study was to analyze the differences among spectral profiles taken on different producer regions of soybean in the southern of Brazil. The biomass monitoring, done from September 1999 to March 2000, was made using NOAA-14 images, AVHRR sensor, and afternoon passage. The images were obtained from reception station of Centro Estadual de Pesquisa em Sensoriamento Remoto e Meteorologia (CEPSRM/UFRGS). After proceed the geometric, radiometric and panoramic distortion corrections, NDVI was calculated using the band 1 and 2. From daily images, 10-days composites images were generated, where each pixel, registered geographically, corresponds to the greatest NDVI observed during 10 consecutive days. From each composite image, was extracted NDVI values, using sample of 3 x 3 pixels located on the soybean fields classified in LANDSAT images from January or February 2000. NDVI mean values were represented in a graphic form, or, temporal NDVI variation. The differences in NDVI evolution show the potential using of NOAA images to monitor crop growth and development. This product can integrate monitoring systems in order to provide warnings relate to crop growth problems.
RESUMO
As mudanças na forma do perfil espectral característico da cultura da soja estão associadas à condição de desenvolvimento das plantas, dadas principalmente pelas condições meteorológicas e de manejo aos quais a cultura é submetida ao longo do seu ciclo. Este trabalho teve como objetivo analisar as diferenças entre os perfis espectrais obtidos em diferentes regiões produtoras de soja no sul do Brasil. O monitoramento da biomassa regional, realizado de setembro de 1999 a março de 2000, foi feito usando imagens do satélite NOAA-14, sensor AVHRR, passagem da tarde. As imagens foram obtidas, diariamente, pela estação de recepção de imagens NOAA pertencente ao Centro Estadual de Pesquisa em Sensoriamento Remoto e Meteorologia (CEPSRM/UFRGS). Após as correções geométrica, radiométrica e para a distorção panorâmica, foi calculado o NDVI usando as bandas 1 (0,58 a 0,68 µm) e 2 (0,725 a 1,1µm). A partir de imagens diárias, foram geradas imagens de composição decendial, na qual cada pixel, geograficamente registrado, corresponde ao maior NDVI observado ao longo de dez dias consecutivos. De cada imagem composição decendial foram extraídos valores de NDVI, usando uma janela de amostragem de 3x3 pixels, sendo o pixel central localizado sobre áreas com predominância de lavouras classificadas como soja em imagens LANDSAT-TM,
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georreferenciadas, obtidas nos meses de janeiro e fevereiro de 2000. O valores médios de NDVI da janela de amostragem foram expressos na forma de perfis espectrais, ou seja, de variação temporal do NDVI. As diferenças na evolução temporal do NDVI observadas torna evidente o potencial de uso de imagens NOAA para acompanhar o crescimento e desenvolvimento da biomassa da cultura da soja em nível regional. Este produto pode, portanto, integrar sistemas de monitoramento visando fornecer alertas quanto a possíveis problemas de crescimento das plantas.
INTRODUÇÃO
Na área do sensoriamento remoto, os índices de vegetação representam uma técnica amplamente utilizada por indicarem a presença e condição da vegetação, visto que a produção primária tem estreita relação com a energia solar absorvida, o que define o crescimento e o desenvolvimento da vegetação. As medidas de índice de vegetação têm, em geral, associação direta com quantidade de biomassa, índice de área foliar, cobertura do solo, interceptação da radiação e rendimento agrícola (Rudorff & Batista, 1990 a, b; Millard et al., 1990; Antunes et al., 1993). Os índices de vegetação são baseados em combinações lineares, razões ou transformações ortogonais de várias bandas espectrais. Entre os diversos índices de vegetação existentes, é o índice de vegetação por diferença normalizada (NDVI - "Normalized Difference Vegetation Index"), o que vem sendo mais amplamente utilizado. O NDVI tem sido empregado em estudos sobre perfis espectrais, ou seja, o estabelecimento de padrões de crescimento e desenvolvimento ao longo da estação de crescimento. As mudanças estruturais são gradativas com o tempo e resultam em correspondente mudança gradativa na reflectância espectral da vegetação. A caracterização dos perfis permite a diferenciação entre tipos de vegetação. As mudanças na forma do perfil característico de uma determinada vegetação podem estar associadas à condição e, em última instância, ao rendimento, no caso de culturas agrícolas (Justice et al., 1985; Rossini, 1993; Batista et al., 1993). Em geral, o monitoramento da vegetação através de perfis espectrais é feito usando imagens do satélite NOAA ("National Oceanic and Atmospheric Administration"), sensor AVHRR ("Advanced Very High Resolution Radiometer") o qual foi, inicialmente, concebido para o monitoramento da atmosfera e da superfície do mar. Foi posterior o surgimento da possibilidade de contribuir no monitoramento da vegetação na superfície. As principais contribuições se referem à possibilidade de estudar vegetação em nível regional, devido à grande faixa de imageamento deste sensor, e a possibilidade de um adequado acompanhamento da evolução da biomassa, tendo em vista a escala temporal do mesmo (Malingreau & Belward, 1992). A partir de 1985, surgiram publicações apresentando os primeiros resultados utilizando imagens do satélite NOAA para o monitoramento da vegetação global ou continental (Justice et al., 1985; Justice et al., 1986; Malingreau, 1986). Nos anos subsequentes, diversos foram os trabalhos publicados utilizando o NDVI proveniente do AVHRR/NOAA, determinados nas resoluções LAC (“Local Area Coverage”), GAC (“Global Area Coverage”) ou GVI ("Global Vegetation Index") (Kidwell, 1990). Na sua grande maioria, esses trabalhos foram realizados nas
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regiões semiáridas da África e da Ásia, regiões com grande variação de biomassa ao longo do ano (Justice et al., 1991; Rasmussen, 1992). Em condições brasileiras Assad et al. (1988) e Batista et al. (1993) utilizaram dados provenientes do AVHRR para acompanhar o desenvolvimento da vegetação associada à precipitação pluvial ocorrida, visto que o crescimento e o desenvolvimento da vegetação são resultantes das condições meteorológicas disponíveis durante o ciclo das mesmas. Especificamente para o Estado do Rio Grande do Sul, Fontana et al. (1996; 1999) analisaram os perfis espectrais, obtidos a partir do GVI (resolução espacial de 15 Km), para o acompanhamento da biomassa em nível estadual em 4 anos agrícolas, mostrando que as condições meteorológicas afetam o padrão espectral da vegetação regional. Este trabalho teve como objetivo analisar as diferenças entre os perfis espectrais obtidos em diferentes regiões produtoras de soja no sul do Brasil.
MATERIAL E MÉTODOS
A área de estudo abrangeu algumas das áreas produtoras de soja na região centro-sul do Brasil, compreendendo os Estados do Rio Grande do Sul, Paraná e Mato Grosso do Sul. O monitoramento da biomassa regional foi feito usando imagens do satélite NOAA14, sensor AVHRR. As imagens utilizadas foram obtidas pela estação de recepção de imagens NOAA pertencente ao Centro Estadual de Pesquisa em Sensoriamento Remoto e Meteorologia (CEPSRM/UFRGS). Neste trabalho, foram utilizadas imagens digitais nas bandas 1 (visível) e banda 2 (infravermelho), passagem da tarde. O monitoramento foi feito de setembro de 1999 a março de 2000. As imagens AVHRR/NOAA foram coletadas no formato HRPT e, posteriormente, foram realizadas as correções para a distorção panorâmica, radiância das bandas 1 e 2 e ângulo de incidência solar. Inicialmente foi procedida a correção geométrica da imagem baseada nos parâmetros da órbita do satélite. Após, foi realizada uma segunda georreferência, utilizando pontos de controle obtidos em uma imagem definida como padrão, a qual foi georreferenciada a uma carta topográfica. A transformação utilizada foi uma polinomial de quinto grau, utilizando a projeção geográfica, esferóide WGS 84 e Datum WGS 84, sendo a reconstrução da imagem feita por interpolação usando o algoritmo de vizinho mais próximo, aproximada para uma resolução espacial equivalente a 2,0 Km. O índice de vegetação por diferença normalizada (NDVI) foi determinado por:
ρ − ρV ö NDVI = æç IV ÷ ρ ρ + IV V ø è
(1)
onde IV e V correspondem as bandas a banda 1 (0,58 a 0,68 µm) e banda 2 (0,725 a 1,1µm), respectivamente. As imagens foram padronizadas para um intervalo de NDVI que oscilou de –1,0 a +1,0. A partir das imagens diárias, foram geradas imagens de composição decendial, na qual cada pixel, geograficamente registrado, corresponde ao maior NDVI observado ao longo de 99
dez dias consecutivos. O processo de composição registra cada imagem diária a uma base cartográfica, de forma que um pixel na imagem, em várias datas, corresponde exatamente à mesma localização no terreno. De cada imagem composição decendial foram extraídos valores de NDVI, usando uma janela de amostragem de 3x3 pixels, sendo o pixel central localizado sobre áreas com predominância de lavouras classificadas como soja em imagens LANDSAT-TM, georreferenciadas, obtidas nos meses de janeiro e fevereiro de 2000 (Tabela 1). O valores médios de NDVI da janela de amostragem foram expressos na forma de perfis espectrais, ou seja, de variação temporal do NDVI. Tabela 1. Coordenadas geográficas das lavouras de soja obtidas de imagens LANDSAT-TM selecionadas para a geração dos perfis espectrais. Lavouras Paraná 1 2 3 4 5 Mato Grosso do Sul 6 7 8 9 10 Rio Grande do Sul 11 12 13 14 15
Latitude (sul)
Longitude (oeste)
27o57'47" 27057'07" 27034'36" 27o36'34" 27o28'07"
54o42'55" 54o33'28" 54o33'28" 54o31'24" 54o24'24"
18o14'04" 18o09'51" 19o14'22" 19o13'59' 19o31'08"
54o45'51" 54o44'05" 54o32'11" 54o43'57" 54o35'06"
25o24'43" 25o17'14" 25o59'30" 26o02'40" 25o56'08"
54o01'37" 54o01'02" 53o43'34" 52o52'08" 52o40'08"
RESULTADOS E DISCUSSÃO A evolução temporal do NDVI das lavouras de soja selecionadas como pontos amostrais nas imagens LANDSAT mostraram padrões semelhantes nos Estados do Rio Grande do Sul, Paraná e Mato Grosso do Sul (Figura 1). Foram observadas variações nos valores do NDVI entre lavouras em cada Estado, o que possivelmente, sejam devidas à interferência atmosférica diferencial na janela amostral ao longo do tempo. Isto significa que, em alguns casos, nos dez dias consecutivos utilizados na confecção da imagem composição decendial, houve redução no NDVI devido à interferência atmosférica, provavelmente de nuvens persistentes no período. Isto foi evidente, nos três Estados, no primeiro decêndio de dezembro e em janeiro e fevereiro.
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0.7 lav lav lav lav lav
0.6
NDVI
0.5
PARANÁ
1 2 3 4 5
0.4 0.3 0.2
MAR 3
MAR 2
FEV 3
MAR1
FEV 2
JAN3
FEV 1
JAN 2
JAN 1
DEZ 3
DEZ 2
DEZ 1
NOV 3
NOV 2
OUT 3
NOV 1
OUT 2
SET 3
OUT 1
SET 2
SET 1
0.1 0.8
MATO GROSSO DO SUL lav 5 lav 6 lav 7 lav 8 lav 9
0.6
NDVI
0.4
0.2
0.0
MAR 3
MAR 2
MAR1
FEV 3
FEV 2
FEV 1
JAN3
JAN 2
JAN 1
DEZ 3
DEZ 2
DEZ 1
NOV 3
NOV 2
NOV 1
OUT 3
OUT 2
OUT 1
SET 3
SET 2
SET 1
-0.2 0.7
RIO GRANDE DO SUL
lav 11 lav 12 lav 13 lav 14 lav 15
0.6 0.5
NDVI
0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
MAR 3
MAR 2
MAR1
FEV 3
FEV 2
FEV 1
JAN3
JAN 2
JAN 1
DEZ 3
DEZ 2
DEZ 1
NOV 3
NOV 2
NOV 1
OUT 3
OUT 2
OUT 1
SET 3
SET 2
SET 1
-0.1
DECÊNDIOS
Figura 1. Evolução temporal do NDVI obtidos sobre lavouras de soja selecionadas nos Estados do Paraná, Mato Grosso do Sul e Rio Grande do Sul na safra 1999/2000.
Na Figura 2 é apresentada a evolução média do NDVI para os três Estados, mostrando visível diferença. Os perfis espectrais nesta figura correspondem à média móvel de 3 decêndios, visando suavizar as flutuações devidas a influência atmosférica.
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0.6 PARANÁ MATO GROSSO DO RIO GRANDE DO SUL
0.5
NDVI
0.4
0.3
0.2
0.1
MAR 2
FEV 3
MAR1
FEV 2
JAN3
FEV 1
JAN 2
JAN 1
DEZ 3
DEZ 2
DEZ 1
NOV 3
NOV 2
OUT 3
NOV 1
OUT 2
SET 3
OUT 1
SET 2
SET 1
0.0
DECÊNDIOS
Figura 2. Evolução temporal média das lavouras de soja nos Estados do Paraná, Mato Grosso do Sul e Rio Grande do Sul na safra 1999/2000.
O Estado do Rio Grande do Sul foi caracterizado por baixos e constantes valores de NDVI, próximos a 0,25, no período de setembro e outubro. Este é o período preferencial de preparo, quer tradicional, mínimo ou direto, para a semeadura da cultura da soja. A baixa densidade de biomassa justifica os baixos valores de NDVI nesta época. A partir de novembro, houve um incremento do NDVI atingindo o máximo valor no terceiro decêndio de fevereiro, quando foram observados valores próximos a 0,55. Esse incremento está associado ao aumento de densidade da biomassa, devido ao estabelecimento, crescimento e desenvolvimento da cultura da soja. Fontana et al. (2000), coletando pontos de amostragem em uma grade regular sobre o Estado do Rio Grande do Sul, encontrou um padrão de evolução do NDVI semelhante ao descrito na região noroeste do Estado durante a safra 1998/99, tendo associado este comportamento do NDVI ao crescimento e desenvolvimento da cultura da soja. O incremento é interrompido, entretanto, no primeiro decêndio de dezembro devido a nebulosidade persistente neste decêndio. A partir de meados de fevereiro verificou-se decréscimo do NDVI, o que está associado à senescência das plantas e, portanto, à finalização do ciclo da cultura Para o Mato Grosso do Sul a evolução do NDVI foi caracterizado pelo incremento do NDVI a partir do mês de outubro, o que está associado as características de calendário agrícola daquele Estado, onde a cultura da soja é semeada mais cedo em relação ao Rio Grande do Sul, dada a maior disponibilidade de radiação solar e as maiores temperaturas. A partir do terceiro decêndio de fevereiro a nebulosidade persistente na região estudada, associada ao início da estação chuvosa, impediu a obtenção de informações sobre as condições da biomassa na superfície. Já para o Estado do Paraná, a fase inicial de desenvolvimento da cultura da soja foi caracterizada por um incremento lento do NDVI a partir de novembro, o que possivelmente esteja associado a algum fator adverso. Os maiores valores foram semelhantes aos observados no
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Rio Grande do Sul no mesmo período, ou seja, em final de janeiro e início de fevereiro. O padrão semelhante de evolução do NDVI entre estes dois Estados, demonstra um manejo agrícola também semelhante.
CONCLUSÕES As diferenças na evolução temporal do NDVI observadas torna evidente o potencial de uso de imagens NOAA para acompanhar o crescimento e desenvolvimento da biomassa da cultura da soja em nível regional. Este produto pode, portanto, integrar sistemas de monitoramento visando fornecer alertas quanto a possíveis problemas de crescimento das plantas.
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AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Ms. Glauber Acunha Gonçalves pelo auxílio no processamento das imagens NOAA e a CONAE, FURG, OCENSAT pelo fornecimento de algumas imagens faltantes na série estudada.
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