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THOMÉ SIMPLICIANO ALMEIDA
SENSIBILIDADE DA REFLETÂNCIA DE UMA FLORESTA TROPICAL EM
460 nm, 650 nm E 850 nm AOS PARÂMETROS ÓPTICOS E
ARQUITETÔNICOS DO DOSSEL
Dissertação apresentada à Universidade
Federal de Viçosa, como parte das exigências
do Programa de Pós-Graduação em
Meteorologia Agrícola, para obtenção do título
de Magister Scientiae.
VIÇOSA
MINAS GERAIS – BRASIL
2009
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THOMÉ SIMPLICIANO ALMEIDA
SENSIBILIDADE DA REFLETÂNCIA DE UMA FLORESTA TROPICAL EM
460 nm, 650 nm E 850 nm AOS PARÂMETROS ÓPTICOS E
ARQUITETÔNICOS DO DOSSEL
Dissertação apresentada à Universidade
Federal de Viçosa, como parte das exigências
do Programa de Pós-Graduação em
Meteorologia Agrícola, para obtenção do título
de Magister Scientiae.
Gilberto Chohaku Sediyama
Flávio Barbosa Justino
Edson Luís Nunes
Silvia de Nazaré Monteiro Yanagi
(Co-orientadora)
Marcos Heil Costa
(Orientador)
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ii
Este trabalho é dedicado à
meu pai Antônio,
minha mãe Maria,
minha irmã Thaís,
meu irmão Thales,
e meu afilhado João.
iii
AGRADECIMENTOS
À Universidade Federal de Viçosa (UFV), especialmente ao Departamento
de Engenharia Agrícola, pela oportunidade de realizar o curso.
Ao meu pai Antônio de Pádua Almeida e minha mãe Maria Goreti Almeida
pelo grande apoio nas horas difíceis em que me encontrei, pelos incentivos
profissionais, pelo amor, força e amizade.
Ao professor Dr. Marcos Heil Costa, pela orientação, amizade e apoio
profissional.
Ao professor Dr. Yosio E. Shimabukuro pela orientação apoio e amizade no
decorrer do trabalho.
À professora Ds. Silvia N. Monteiro Yanagi pela orientação amizade e apoio
no decorrer do trabalho.
Em especial à Jaquelyne Azevedo pelo total apoio, carinho e presença.
Aos estudantes e ex-estudantes do Grupo de Pesquisa em Climatologia,
Cleverson, Christiane, Gabrielle, Gleidson, Graciela, Leydimere, Isabel, Lívia,
Hewlley, Letícia, Lucía, Luciana, Marcos Paulo, Mônica, Santiago, Sílvia, Édson,
Francisca, Fabrício e Varejão, pelo coleguismo e pelas contribuições no
desenvolvimento deste trabalho.
A todos os Professores do curso de Meteorologia Agrícola, pelos valiosos
conhecimentos transmitidos através de suas disciplinas com dedicação,
profissionalismo e amizade.
A todos os demais professores, colegas e funcionários que participaram da
realização deste trabalho, o meu sincero agradecimento.
iv
BIOGRAFIA
Thomé Simpliciano Almeida, filho de Antônio de Pádua Almeida e Maria
Goreti Almeida, nasceu dia 12 de maio de 1983, na cidade de São José dos
Campos – São Paulo – Brasil.
Em outubro de 2006 concluiu o curso de Bacharelado e Licenciatura em
Física pela Universidade Federal de Viçosa (UFV).
Em outubro de 2006 iniciou o curso de pós-graduação, em nível de
mestrado, em Meteorologia Agrícola pela Universidade Federal de Viçosa (UFV).
v
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................... vi
LISTA DE TABELAS .................................................................................................................. vii
LISTA DE SÍMBOLOS .............................................................................................................. viii
RESUMO ..................................................................................................................................... ix
ABSTRACT .................................................................................................................................. xi
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 1
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................... 5
2.1. Propriedades espectrais da vegetação .......................................................................... 5
2.2. Modelos de refletância .................................................................................................... 7
2.3. Descrição do modelo IBIS ............................................................................................. 10
2.4 Característica do sensor MODIS ................................................................................... 11
2.4.1. Refletância de superfície (produtos MOD09 e MYD09) ...................................... 12
2.4.2. Índice de vegetação (produtos MOD13 e MYD13) .............................................. 13
3. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................................... 15
3.1. Descrição da área experimental ................................................................................... 15
3.2. Obtenção e processamento dos dados MODIS/TERRA e MODIS/AQUA .............. 16
3.3. Implementação das bandas no IBIS ........................................................................... 19
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................................... 21
4.1. Análise de sensibilidade ................................................................................................ 21
4.2. Calibração da refletância e inclinação das folhas ....................................................... 25
5. SUMÁRIO E CONCLUSÕES............................................................................................... 30
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................ 32
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Espectro de Refletância de uma folha saudável ..................................... 6
Figura 2 - Desenho esquemático das possíveis interações da radiação
eletromagnética até a incidência sobre o sensor .................................................... 8
Figura 3 - Parâmetros geométricos, espectrais e biofísicos da vegetação.............. 9
Figura 4 - Localização do sítio K34. ...................................................................... 15
Figura 5 - Tile adquirido, referente à localização do K34. ..................................... 16
Figura 6 - Pixel referente à localização do K34. .................................................... 17
Figura 7 - Dados do MODIS após a seleção dos pixels ........................................ 18
Figura 8 - Sensibilidade da inclinação das folhas da parte superior e inferior do
dossel .................................................................................................................... 22
Figura 9 - Sensibilidade da refletância das folhas da parte superior e inferior do
dossel .................................................................................................................... 23
Figura 10 - Sensibilidade da refletância das folhas da parte inferior do dossel. .... 24
Figura 11 - Valor do RMSE para cada valor de refletância e inclinação das folhas
.............................................................................................................................. 27
Figura 12 - RMSE para as configurações da inclinação das folhas e refletância da
folha em cada comprimento de onda. ................................................................... 28
Figura 13 - Dispersão entre os dados MODIS e obtidos pelo IBIS ........................ 29
vii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Características do sensor MODIS (TERRA - AQUA) ............................ 12
Tabela 2 - Parâmetros usados pelo modelo. ......................................................... 20
viii
LISTA DE SÍMBOLOS
lo
f
Fração de cobertura do solo devido à parte inferior do dossel
up
f
Fração de cobertura do solo devido à parte superior do dossel
d
in
I Campo de irradiancia incidente puramente colimada
i
in
I Campo de irradiancia incidente puramente isotrópica
L Índice de área foliar
N Número digital
lo
Refletância das folhas da parte inferior do dossel
up
Refletância das folhas da parte superior do dossel
r Refletância do dossel
r
d
Refletância hemisférica direcional
r
i
Refletância hemisférica indireta
S Índice de área de galhos
lo
Transmitância das folhas da parte inferior do dossel
up
Transmitância das folhas da parte superior do dossel
VFR Valor físico de refletância
lo
Inclinação das folhas da parte inferior do dossel
up
Inclinação das folhas da parte superior do dossel
ix
RESUMO
ALMEIDA, Thomé Simpliciano, M.Sc. Universidade Federal de Viçosa, fevereiro
de 2009. Sensibilidade da refletância de uma floresta tropical em 460
nm, 650 nm e 850 nm aos parâmetros ópticos e arquitetônicos do
dossel. Orientador: Marcos Heil Costa. Co-orientadores: Yosio Edemir
Shimabukuro e Silvia de Nazaré Monteiro Yanagi
Estudar e monitorar a vegetação - floresta, cerrado ou outro tipo de cobertura - é
de suma importância para se entender o padrão climático atual. Os Modelos de
Dinâmica de Vegetação (MDV) são ferramentas úteis nos estudos de determinado
bioma, pois são baseados em princípios físicos e em condições iniciais e de
contorno, podendo então obter indícios dos fatores que influenciam o ambiente
modelado, fazer previsões futuras do comportamento da vegetação e, associados
a outros modelos, fazer previsões futuras da influência da vegetação no clima, ou
da mudança do clima na vegetação. Em particular, os modelos de refletância
fazem parte dos MDV. Alguns estudos têm sido feitos para identificar a influência
dos componentes do dossel sobre a resposta do albedo da cobertura vegetal,
obtendo a melhor configuração dos parâmetros a serem usados. Porém, o estudo
da refletância para menores faixas do espectro eletromagnético indica mais
detalhadamente as feições dos alvos estudados. Para a vegetação, importantes
características são estimadas a partir da resposta da refletância de faixas
específicas. Nesse aspecto o objetivo desse trabalho foi adicionar três bandas
vermelho, infravermelho próximo e azul, referentes às bandas 1, 2 e 3 do sensor
MODIS, a bordo dos satélites TERRA e AQUA, no modelo IBIS - Integrated
x
Biosphere Simulator - observando a sensibilidade aos parâmetros óticos e
arquitetônicos do dossel e calibrando esses parâmetros de acordo com os
produtos de refletância de superfície e índice de vegetação do MODIS para a
Reserva do Cuieiras (K34). A análise de sensibilidade indicou forte resposta para
os parâmetros referentes à parte superior do dossel. A combinação dos
parâmetros que minimizou o RMSE do EVI - Enhanced Vegetation Index
(RMSE
min
= 0,0245) foi a inclinação das folhas do dossel superior
up
= 0,92,
refletância das folhas da parte superior do dossel na faixa do azul
upblue
= 0,0162, vermelho
upred
=0,0466 e infravermelho próximo
upnir
= 0,4427.
xi
ABSTRACT
ALMEIDA, Thomé Simpliciano, M.Sc. Universidade Federal de Viçosa, February,
2009. Tropical rainforest reflectance Sensitivity in 460 nm, 650 nm and
850 nm to canopy architectural and optical parameters. Advisor: Marcos
Heil Costa. Co-advisors: Yosio Edemir Shimabukuro and Silvia de Nazaré
Monteiro Yanagi.
Studying and monitoring the vegetation - forest, savannah or other types - is
important to understand the current climatic standard. Dynamical vegetation
models (DVM) are useful tools in biome studies as they are based on physical
principles as well as on initial and boundary conditions, therefore can obtain
evidence of the influence of factors on the modeled environment, predict future
vegetation behavior and, in association with other models, make predictions about
vegetation future influence on climate or about the effect of climate change on
vegetation. In particular, reflectance models are part of DVMs. Some studies have
attempted to identify, canopy elements on the response of the vegetation cover
albedo, the effect of obtaining the best parameters configuration. However, the
reflectance study for electromagnetic spectrum narrower bands shows further
features of the studied objects. Important features are estimated from the response
of specific bands vegetation reflectance. Therefore, the objective of this thesis was
to add three bands - red, near infrared and blue, corresponding to the bands 1, 2
and 3 of the sensor MODIS, onboard the TERRA and AQUA satellites, into the
IBIS model - Integrated Biosphere Simulator, observe the canopy reflectance
sensitivity to architectural and optical parameters, and calibrate these parameters
according to the surface reflectance products and vegetation index from MODIS for
xii
the Reserve Cuieiras (K34). The sensitivity analysis indicates a strong response to
the upper canopy parameters. The parameters combination that minimizes the
RMSE of EVI - Enhanced Vegetation Index (RMSE = 0.0245) are the slope of the
upper canopy leaves
up
= 0.92, reflectance from the upper canopy leaves in the
blue band
upblue
= 0.0162, red band
upred
= 0.0466 and near infrared band
upnir
= 0.4427.
1
1. INTRODUÇÃO
O clima da Terra passou por diversas mudanças no decorrer da história até
os tempos atuais. Nas últimas décadas, a comunidade científica tem estudado os
sinais de mudanças no clima da Terra utilizando informações paleoclimáticas
(rochas antigas e geleiras), observações históricas de clima e dados de satélite.
Eventos como mudanças nas correntes oceânicas, inclinação do eixo da Terra e
erupções vulcânicas influenciaram nas variações do clima no planeta (Chambers
et al., 2007). Hoje, estudos vêm acumulando evidências de que as atividades
humanas podem estar acelerando as mudanças no clima, contribuindo assim para
expansão de áreas desertificadas, aumento no nível dos oceanos, diminuição da
camada de ozônio e perda da biodiversidade (IPCC, 2007).
Mais da metade da produção primária líquida (NPP) anual, em todo o globo,
ocorre nos trópicos, com a maioria dessa produção responsável pela floresta
tropical (Mulkey et al., 1996). A floresta Amazônica, por exemplo, tem influência no
clima regional e global, tornando assim o estudo da dinâmica da vegetação na
região Amazônica e a sua relação com o clima de grande interesse em estudos de
interação ecossistema-biosfera (Kobayashi e Dye, 2005; Huete et al., 2006).
Nesse aspecto, os modelos de dinâmica de vegetação (MDV) são
ferramentas úteis nos estudos de determinado bioma, pois são baseados em
princípios físicos e em condições iniciais e de contorno (Yanagi, 2006), podendo
então obter indícios dos fatores influentes do ambiente modelado, fazer previsões
futuras do comportamento da vegetação, e associados a outros modelos, fazer
2
previsões futuras da influência da vegetação no clima, ou da mudança do clima na
vegetação.
Os MDV são integrados por um conjunto de modelos interdependentes de
troca de massa, calor e momentum entre a atmosfera e a superfície terrestre. Em
particular, os modelos de refletância fazem parte desse conjunto de modelos que
integram os MDVs, pois a refletância da superfície é um importante fator na
modelagem de diversos sistemas da Terra, sendo utilizada para o cálculo do
albedo e fração da radiação fotossinteticamente ativa (FPAR) absorvida pelo
dossel. A possibilidade de simular variações das características de uma cobertura
e as respostas da refletância permitem estimar tendências e obter melhorias na
configuração dos fatores que fazem parte dos modelos.
Porém, a contribuição de cada fator que influencia a refletância não tem
sido adequadamente tratada, sendo que a combinação de informações de
campanhas de campo, sensoriamento remoto e técnicas de modelagem são
necessários para a caracterização dos fatores biofísicos e espectrais para a
determinação precisa da refletância (Asner, 1998).
Yanagi (2006) avaliou a sensibilidade da resposta do albedo do modelo
IBIS - Integrated Biosphere Simulator (Foley et al., 1996) para uma floresta tropical
nas bandas do visível e infravermelho próximo, variando os parâmetros
arquitetônicos (orientação das folhas) e parâmetros ópticos (refletância das folhas)
do dossel. Desta forma, obteve-se a melhor configuração dos parâmetros a serem
usados, tendo sido validados com campanha de campo na Reserva Biológica de
Cuieiras (K34), localizada próximo a Manaus.
O estudo da refletância para menores faixas do espectro eletromagnético
indica mais detalhadamente as feições dos alvos estudados. Para a vegetação,
importantes características são estimadas a partir da resposta da refletância de
faixas específicas. Duas faixas de importante análise para o estudo da vegetação
são a do vermelho (650 nm) - que tem baixa refletância pela absorção da radiação
solar devido à ação dos pigmentos fotossintetizantes das folhas - e a do
infravermelho próximo (850 nm) - que possui alta refletância devido ao
3
espalhamento da radiação em função da estrutura celular das folhas (Knipling,
1970).
Atualmente uma ferramenta utilizada para o estudo e monitoramento da
vegetação é o sensor Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS),
que é o principal sensor a bordo das plataformas TERRA e AQUA de um total de
cinco sensores na plataforma TERRA, lançado em 18 de dezembro de 1999 e seis
sensores na plataforma AQUA com lançamento em 4 de maio de 2002. Os dois
sensores têm características similares, porém os satélites possuem horário de
passagem diferente, sendo 10h30min AM para o satélite TERRA e 01h30min PM
para o AQUA.
Diversas aplicações têm sido atribuídas ao uso do MODIS e seus produtos,
para o estudo das florestas tropicais. Variações sazonais e fenologia das folhas
(Xiao et al., 2006; Huete et al., 2006) foram identificadas com o uso dos dados de
EVI (Enhanced Vegetation Índex) do MODIS, onde concluíram que a atribuição
dessa sazonalidade pode estar ligada a sazonalidade da radiação solar e não a
estações de chuva. As estimativas de índice de área foliar, sazonalidade desse
índice (Liu et al., 2008; Asner et al., 2003), e produção primária bruta – GPP (Ichii
et al., 2007) são completadas e avaliadas através dos dados obtidos pelo MODIS.
Um dos produtos disponibilizados é o MOD09 (MODIS/TERRA)/MYD09
(MODIS/AQUA), referente à refletância da superfície, com os comprimentos de
onda centrados em 648, 858, 470, 555, 1240, 1640 e 2130 nm correspondendo às
bandas 1 a 7. Este produto é uma estimativa da refletância espectral de superfície
para cada uma das bandas.
Outros dois produtos oferecidos pelo MODIS são o MOD13
(MODIS/TERRA) e MYD13 (MODIS/AQUA), derivados do produto MOD09 e
MYD09 respectivamente, disponibilizando dados de dois índices de vegetação, o
NDVI (Normalized Diference Vegetation Índex) e o EVI. Estes índices fornecem
comparações consistentes de dados temporais e espaciais das condições da
vegetação global, monitorando a atividade fotossintética da vegetação, detecção
de mudança e interpretações biofísicas e da fenologia.
4
Considerando a necessidade dos estudos dos parâmetros que interferem
na resposta da refletância de um dossel, o objetivo desse trabalho foi estudar a
sensibilidade da refletância de uma floresta tropical simulado pelo Integrated
Biosphere Simulator – IBIS para a Reserva Biológica do Cuieras – K34,
equivalentes às bandas 1, 2 e 3 do MODIS, bandas do vermelho (650 nm),
infravermelho próximo (850 nm) e azul (460 nm).
De forma específica esse trabalho teve como objetivos:
(1) Modificação do código IBIS para a simulação da refletância nas bandas
do vermelho, infravermelho próximo e azul, referentes às bandas 1, 2 e 3 do
MODIS (refletância de superfície) e para o cálculo do NDVI e EVI;
(2) Análise da sensibilidade da refletância em relação aos parâmetros óticos
(refletância das folhas) e arquitetônicos (distribuição angular das folhas - DAF) do
dossel, e calibração do modelo;
(3) Obtenção dos dados do produto MODIS de refletância de superfície
(MOD09 e MYD09) e índice de vegetação (MOD13 e MYD13), através dos
satélites TERRA e AQUA para o pixel do sítio K34, para o período 2002 a 2005;
(4) Validação da refletância e dos índices de vegetação simulados contra
os produtos de refletância e índice de vegetação do MODIS.
5
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Propriedades espectrais da vegetação
O estudo da interação da radiação eletromagnética (REM) com dosséis
preocupa-se com a variação dos efeitos fisiológicos e geométricos sobre as
respostas espectrais, e a partir dessas respostas podem-se introduzir perspectivas
sobre outros parâmetros da vegetação, como biomassa ou estoque de carbono,
etc.
A folha constitui o principal constituinte da vegetação na interação com a
REM, sendo a análise da refletância, transmitância e absortância necessárias para
a realização de estudos espectrais da vegetação. Isso porque as folhas
apresentam-se transparentes, principalmente nos comprimentos de onda do
infravermelho próximo. A resposta da refletância também depende dos ângulos de
iluminação e de visada (Ponzoni e Shimabukuro, 2007).
Quando se considera somente a folha, verifica-se que a resposta espectral
está relacionada com a composição química, morfológica, fisiológica e a umidade
interna contida nas mesmas, onde cada uma exerce influência predominante em
pelo menos três regiões do espectro ótico (Figura 1):
a) região do visível (400 – 720 nm): região dominada pela absorção dos
pigmentos existentes nas folhas (clorofila, carotenos e xantofilas). Existe
uma absorção maior no azul (próximo de 440 nm) e na região do
vermelho (650 nm) devido somente a clorofila.
6
b) região do infravermelho próximo (NIR) (720 – 1100 nm): região com
pequena absorção da radiação e um considerável espalhamento interno,
apresentando como característica principal a alta refletividade. A
absorção pela água é baixa nessa região do espectro.
c) região do infravermelho médio (1100 – 3200 nm): região com grande
absorção devido à presença de água líquida.
Figura 1 - Espectro de refletância de uma folha saudável. Fonte: Ponzoni e
Shimabukuro (2007).
No que se refere aos dosséis vegetativos, a variação da refletância da
cobertura vegetal em diferentes bandas espectrais depende principalmente da
quantidade de folhas, das características ópticas (refletância de folhas e galhos), e
da arquitetura do dossel (Índice de Área Foliar - IAF, distribuição angular das
folhas e galhos), porém em alguns estudos têm se observado que a forma da
curva da refletância de um dossel é semelhante à curva da refletância das folhas
isoladas que compõem o dossel (Goel, 1988; Jensen, 2000; Ponzoni e
Shimabukuro, 2007).
Alterações na curva espectral de uma determinada vegetação pode ser
indício de mudança. Por exemplo, o envelhecimento das folhas causa aumento da
7
refletância na faixa de vermelho e azul; aumento do teor de umidade causa
redução da refletância nos comprimentos 1,4 e 1,9 µm.
As faixas do vermelho e do infravermelho próximo apresentam
comportamento antagônico em relação à mudança biofísica da vegetação.
Durante o período de crescimento da vegetação, há uma redução da refletância
na faixa do vermelho, devido à absorção da radiação pela clorofila. Por outro lado,
a mudança na estrutura da folha e aumento do índice foliar causa uma elevação
na refletância no infravermelho próximo.
2.2. Modelos de refletância
Os modelos são representações simplificadas da realidade, onde são
inseridos os fatores mais significativos para a descrição de determinado fenômeno
estudado. Para o estudo da refletância da vegetação, são inseridos vários fatores
biofísicos e bioquímicos que afetam a resposta da refletância do dossel.
Os modelos de refletância têm um papel fundamental no entendimento da
interação da radiação eletromagnética com dosséis florestais. Estas interações
estão associadas às características do dossel ou aos fatores ambientais. Os
modelos de refletância conectam as características biofísicas do dossel com a
geometria de iluminação, resultando destas interações, os dados de refletância
(Goel, 1988).
Segundo Goel (1988), os modelos de refletância simulam a resposta da
refletância como resultado da interação da radiação eletromagnética com os
diversos fatores (Figura 2), ou seja, a partir das características do alvo estima-se a
resposta da refletância (problema direto). Assim, essa interação seria uma função
de diversos fatores:
{a} características da fonte: normalmente o sol com propriedades que inclui
a irradiância e localização espacial (ângulo zenital e azimutal solar);
{b} interação com a atmosfera: propriedades de absorção e espalhamento
dos constituintes da atmosfera (ozônio, vapor da água e aerossóis);
8
{c} interação com o dossel vegetal: parâmetros ópticos (refletância e
transmitância) e estruturais (formas geométricas e posicionamento de folhas,
galhos, etc.);
{d} interação com o solo: propriedades como refletância, absorção,
rugosidade, textura e umidade;
Chegando a uma função de refletância R, que é também dependente do
comprimento de onda (λ):
R = f (λ,a, b, c, d) (1)
Figura 2 - Esquema das possíveis interações da radiação eletromagnética.
FONTE: Goel (1988).
As características do dossel que influenciam na resposta da refletância são:
parâmetros geométricos, ópticos e arquitetônicos, onde os mais influentes estão
representados na Figura 3.
9
Figura 3 - Parâmetros geométricos, espectrais e biofísicos da vegetação.
Goel (1988) assume três principais categorias para modelos de refletância:
Modelos óticos geométricos: o dossel, para esse tipo de modelo, é
composto de elementos geométricos distribuídos sobre a superfície, onde são
usadas propriedades ópticas para calcular as áreas sombreadas e iluminadas e,
posteriormente, a determinação das interações da REM com tais parâmetros;
Modelos de meio túrbido: são aplicados a dosséis homogêneos, onde é
possível identificar diversas camadas homogêneas e características óticas
(espalhamento e absorção). A somatória das interações de todas as camadas é
assumida como a interação resultante de todo o dossel;
Modelos híbridos para dosséis heterogêneos: assim como muitas
florestas tropicais, nem sempre os dosséis vegetativos apresentam-se
homogêneos. Assim, os modelos híbridos assumem a existência de diferentes
camadas (dosséis e sub dosséis) que tem extensões variadas em cada trecho e
podem apresentar formas geométricas distintas. Os modelos híbridos têm um
custo computacional mais elevado, porém apresentam resultados mais realistas.
A modelagem do comportamento da refletância da vegetação tem gerando
estimativas de diversos parâmetros importantes para a modelagem de sistemas
ambientais. Liu (2008) utilizou dados de satélite (MODIS), modelo de refletância
10
(two-stream) e um modelo de dinâmica de folha (Dickinson et al., 2008), para
inferir a sazonalidade do IAF, parâmetro que tem ligação direta com a
performance dos modelos de superfície.
2.3. Descrição do modelo IBIS
O IBIS é um modelo integrado de processos de superfície e de
ecossistemas terrestres (Foley et al., 1996), tais como troca de energia, água e
momentum entre a vegetação, solo e a atmosfera, fisiologia do ecossistema,
fenologia da vegetação, dinâmica da vegetação e balanço de carbono. Para esse
estudo será considerado somente a parte do modelo relacionada com a
transferência radiativa solar nos dosséis.
No modelo IBIS a refletância do dossel é considerada como a razão entre o
fluxo de radiação refletida e a incidente, sendo que a refletância total é uma média
dos dois tipos de refletância (direta e difusa), cada uma associada com o campo
de irradiância incidente, onde os dois tipos de refletância são combinados para
obter a refletância da superfície:
i
in
d
in
ii
in
dd
in
II
rIrI
r
(2)
em que
d
r é a refletância hemisférica direcional associada ao campo de
irradiância incidente que é puramente colimada
d
in
I ; e
i
r é a refletância
hemisférica indireta associada com o campo de irradiância
i
in
I que é puramente
isotrópica.
A troca da radiação solar entre o solo, a vegetação e a atmosfera é
calculada seguindo a aproximação two-stream, que consiste em combinar as
características de refletância e transmitância de camadas subseqüentes a fim de
avaliar a refletância em um determinado dossel. Por exemplo, se tomarmos um
ponto intermediário entre as duas camadas do dossel (superior e inferior) como
referência, o mesmo será iluminado por dois fluxos vindos da camada superior e
inferior ao ponto de referência. O modelo considera o dossel constituído de duas
11
camadas e a presença do solo. O cálculo é separado para a radiação direta e
difusa, ambos para as bandas do visível (400 a 700 nm) e infravermelho solar (700
a 4000 nm).
O algoritmo two-stream utiliza alguns parâmetros óticos e arquitetônicos do
dossel. Os parâmetros arquitetônicos incluem orientação dos elementos da parte
superior e inferior do dossel (
up
,
lo
), fração de cobertura do solo devido à parte
superior e inferior do dossel (
up
f
,
lo
f
), índice de área foliar (L), índice de área de
galhos (S). Dos parâmetros ópticos temos refletância das folhas da parte superior
e inferior do dossel nas bandas do visível e infravermelho (
upvis
,
lovis
,
upnir
e
lonir
), transmitância das folhas da parte superior e inferior do dossel, no visível e
infravermelho (
upvis
,
lovis
,
upnir
,
lonir
).
Segundo a classificação de Goel (1988) a parte de transferência radiativa
do modelo IBIS é considerada como sendo um modelo híbrido, visto a presença
de camadas no dossel com diferentes propriedades óticas e geométricas.
Maiores descrições sobre o algoritmo two-stream podem ser encontradas
em Dickinson (1983) e Sellers (1985), com descrição em Bonan (1996) e também
encontrada em Oleson et al. (2004).
O modelo IBIS utiliza como dados de entrada, com o intervalo de uma hora,
a velocidade do vento, temperatura do ar, precipitação, radiação incidente,
radiação refletida e umidade relativa do ar. A parte de transferência radiativa solar
nos dosséis utiliza somente a radiação incidente e refletida.
2.4 Característica do sensor MODIS
O sensor MODIS está a bordo dos satélites TERRA e AQUA, que fazem
parte do programa Earth Observing System (EOS).
O sensor foi projetado para atuar em três campos diferentes: atmosfera,
oceano e terra, com bandas, resoluções espectrais e espaciais para atender às
necessidades desses três ambientes e oferecer uma cobertura global quase
diariamente. O MODIS possui 36 bandas espectrais situadas entre 0,4 µm a
12
14,4 µm do espectro. Os dados podem ser encontrados em 3 resoluções espaciais
diferentes, que são de 250 m para 2 bandas, 500 m para 5 bandas e 1000 m para
29 bandas (Justice et al., 2002).
Resumidamente temos na Tabela 1 as características do MODIS:
Tabela 1- Características do sensor MODIS (TERRA - AQUA)
Órbita
705 km, sol síncrona, polar,
10h 30 min (TERRA) e 13 h30 min
(AQUA)
Resolução espacial no NADIR
250 m (2 bandas), 500 m
(5 bandas), 1000 m (29 bandas)
Repetição de cobertura
Diária para latitudes superiores a
30º e a cada dois dias, para
latitudes inferiores a 30º
Quantização
12 bits
Faixa espectral
0,4 µm – 14,4 µm
Fonte: Jensen (2000)
Os produtos MODIS possuem georeferenciamento automático e a correção
prévia para aerossóis atmosféricos que facilitam o uso dessas imagens em
relação aos tradicionais sensores remotos de alta resolução. Os dados do MODIS
sobre as florestas tropicais têm oferecido uma melhor resposta em relação à
influência das nuvens e maior habilidade para a investigação de processos
ecológicos temporais (Chambers et al., 2007; Latorre et al., 2003).
2.4.1. Refletância de superfície (produtos MOD09 e MYD09)
Os produtos MOD09 (MODIS/TERRA) e MYD09 (MODIS/AQUA) estimam a
refletância espectral da superfície, com comprimentos de onda centrados em 648,
858, 470, 555, 1240, 1640 e 2130 nm. É um produto disponibilizado após o
tratamento de correção atmosférica, o qual remove os efeitos de espalhamento e
13
absorção de gases e aerossóis, assim como os efeitos adjacentes causados pela
variação da cobertura da superfície, os efeitos da geometria de visada e de
iluminação (Latorre et al., 2003).
Os produtos de refletância de superfície do MODIS foram testados segundo
campanhas de campo e imagens do Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) do
satélite Landsat (Liang et al., 2002). A dificuldade encontrada para a validação foi
comparar as medidas de campo com um pixel do MODIS. Esse processo deveria
considerar uma área homogeneamente grande, em relação ao pixel do sensor.
Mesmo assim, os produtos foram considerados como bem precisos.
Os produtos de refletância da superfície são de grande importância, pois
são dados de entrada para outros produtos fornecidos pelo MODIS, como índices
de vegetação (NDVI e EVI), albedo, FPAR e IAF (Parkinson e Greenstone, 2000).
Esses produtos de refletância possuem informações sobre qualidade de
cada pixel, que indicam a integridade de seus dados através do QA - Quality
Assessment (MODIS Land, 2008), tais como:
- Integridade da estimativa da refletância da superfície;
- O sucesso da correção;
- Presença de nuvens;
- Presença de nuvens Cirrus (ausência, baixa, média e alta);
- Fonte de informações de aerossóis;
- Presença de aerossol (baixo, médio e alto);
- Fonte de informação de vapor d’água;
- Fonte de informação de ozônio;
- Se o pixel é terra ou água.
2.4.2. Índice de vegetação (produtos MOD13 e MYD13)
Diversos índices de vegetação têm sido propostos com o objetivo de
explorar as propriedades espectrais da vegetação. Estes índices podem ser
utilizados para estimar parâmetros biofísicos da vegetação, como biomassa e
quantidade de clorofila (Price e Bausch, 1995).
14
Os produtos de Índice de Vegetação do MODIS (MOD13 – plataforma
TERRA e MYD13 – plataforma AQUA) baseiam-se nos dados de refletância da
superfície (MOD09 e MYD09) e a composição temporária destes geram os
produtos de 16 dias, nas resoluções espaciais de 250, 500 ou 1000 m (Huete et
al., 2006).
Este produto fornece dois tipos de índices de vegetação, o NDVI e o EVI. O
cálculo do NDVI e do EVI é feito por meio das Equações 3 e 4, respectivamente:
vnir
vnir
rr
rr
NDVI
(3)
em que
v
r é a refletância no vermelho e
nir
r é a refletância no infravermelho
próximo.
LrCrCr
rr
GEVI
bluevnir
vnir
..
21
(4)
em que
blue
r é a refletância no azul, C
1
= 6 e C
2
= 7,5 são coeficientes de ajuste
para efeito de aerossóis da atmosfera, G = 2,5 fator de ganho e L = 1 (solo
totalmente coberto) é fator de ajuste para o solo (Huete et al., 2002).
Para o monitoramento da vegetação, esses dois índices são bastante
utilizados. Enquanto o NDVI é sensível à clorofila, o EVI é mais sensível às
variações na resposta estrutural do dossel, incluindo o índice de área foliar (LAI), a
fisionomia da planta e a arquitetura do dossel (Huete et al., 2002). Estes dois
índices fornecem informações sobre detecção de mudanças vegetais e
parâmetros biofísicos do dossel e se complementam em estudos globais da
vegetação.
O uso dos dados de índice de vegetação do MODIS tem sido aplicado em
diversos trabalhos. Zhang et al. (2003) identificaram a fenologia e sazonalidade da
vegetação, e em união com a modelagem observaram a relação entre a GPP e o
EVI em um estudo na floresta Amazônica, onde identificaram uma sazonalidade
do GPP acompanhada da resposta do produto EVI do MODIS (Ichii et al., 2007).
15
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. Descrição da área experimental
O sítio experimental da Reserva do Cuieiras - K34 (2º 35’S, 60º 07’W) está
localizado a 60 km ao norte de Manaus-AM (Figura 4) e a 90 m acima do nível do
mar. Caracterizado por uma floresta tropical com a altura do dossel de
aproximadamente 30 m. A vegetação e a topografia desse sítio são típicas da
Amazônia Central (Yanagi, 2006).
Figura 4 - Localização do sítio K34.
16
3.2. Obtenção e processamento dos dados MODIS/TERRA e MODIS/AQUA
Para essa pesquisa, foram utilizados os dados MODIS – MOD09Q1,
MOD13Q1 (TERRA) e MYD09Q1, MYD13Q1 (AQUA) obtidos via FTP através da
requisição das imagens realizada no site de distribuição Earth Observing System
Data Gateway, com resolução espacial de 250 m. As imagens do MOD09Q1 e
MYD09Q1 (refletância de superfície) têm uma resolução temporal de oito dias
enquanto as imagens MOD13Q1 e MYD13Q1 têm a resolução de 16 dias. Os
Tiles (sistema único de projeção e mosaico) adquiridos foram referentes à
localização do K34 (Figura 5), para o período de 2002 a 2005. Posteriormente, foi
selecionado o pixel correspondente à localização do sitio em estudo (Figura 6).
Figura 5 - Tile adquirido, referente à localização do K34.
17
Figura 6 - Pixel referente à localização do K34.
As imagens foram correspondentes às datas dos dados de campo do K34
(dados utilizados para entrada do modelo), sendo selecionadas aquelas onde
aparentemente estavam livres da presença de nuvens no local do sitio e com boa
qualidade. Essa seleção foi feita a partir das informações QA (Quality
Assessment) presente em cada pixel da imagem. Após essa primeira avaliação,
os pixels que ainda não tinham boa qualidade foram substituídos pelo pixel mais
próximo com melhor qualidade.
Os valores das refletâncias para o ano de 2002 do produto MOD09, antes
(Figura 7a) e depois (Figura 7b) das avaliações das qualidades dos pixels podem
ser visto na Figura 7. Na Figura 7a é possível observar pixels com valores altos de
refletância devido à contaminação do pixel pelos constituintes atmosféricos.
Assim, o pixel contaminado é substituído pelo pixel mais próximo que tenha uma
melhor qualidade.
Os dados foram extraídos via programação NCL (NCAR Command
Language).
Para comparação com a resposta do modelo, como as imagens aparecem
com os valores em números digitais (ND), foi transformando o valor do brilho das
bandas 1 (vermelho, 650 nm), 2 (infravermelho próximo, 850 nm) e 3 (azul, 460
nm) em valores físicos de refletância (VFR) utilizando o fator de conversão
(Equação 5) para refletância em 16 bits (65536 níveis de cinza). Esse fator de
conversão é fornecido no mesmo arquivo da imagem ou no site de distribuição dos
18
produtos MODIS. O mesmo procedimento foi realizado para os dados de NDVI e
EVI, ou seja, a escolha dos melhores pixels e a transformação de níveis digitais
para valores de NDVI e EVI físico. Os produtos MOD09, MOD13, MYD09, MYD13
utilizam o mesmo fator de conversão.
0001
,0
NDVFR
(5)
A
B
Figura 7 - Dados do MODIS antes (a) e após (b) a seleção dos pixels.
Refletância
Vermelho
Infravermelho próximo
Vermelho
Infravermelho próximo
Meses
Meses
Refletância
19
3.3. Implementação das bandas no IBIS
Nesse estudo, foi utilizada a versão 0-D do IBIS (Foley et al., 1996). Para
inserção das bandas na faixa do azul, vermelho e infravermelho próximo foi
necessário acrescentar os parâmetros ópticos de cada banda. Assim, foram
acrescentadas no código do programa, as refletâncias das folhas da parte superior
e inferior do dossel nas faixas do azul, vermelho e infravermelho (
upblue
,
loblue
,
upred
,
lored
,
upnir
,
lonir
). Foram adicionadas, para os cálculos, as
transmitâncias das folhas e dos galhos para cada banda (
upblue
,
loblue
,
upred
,
lored
,
upnir
,
lonir
).
Como o modelo já realizava os cálculos para as bandas do visível e
infravermelho, os cálculos para a refletância do azul e vermelho foram de acordo
às equações que o modelo utilizava para o calculo da refletância no visível e os
cálculos para o infravermelho próximo foram de acordo com as equações usadas
para o infravermelho, diferindo somente no valor dos parâmetros das refletâncias
das folhas em cada comprimento de onda.
A refletância do dossel em todas as bandas é calculada separadamente
pelo modelo. Os dados de entrada para a parte de transferência radiativa do
modelo IBIS são as radiações incidentes e refletidas medidas de 2002 a 2005,
com o intervalo de uma hora.
Foram avaliados oito parâmetros óticos e arquitetônicos do modelo:
orientação das folhas e galhos da camada superior do dossel (
up
) e orientação
das folhas da camada inferior do dossel (
lo
), refletância das folhas da camada
superior e inferior do dossel na faixa do vermelho, infravermelho e azul (
upred
,
lored
,
upnir
,
lonir
,
upblue
e
loblue
).
Outros parâmetros óticos e arquitetônicos do dossel, utilizados no IBIS
(Tabela 2) foram mantidos fixos.
20
Tabela 2 - Parâmetros usados no modelo
Valores dos parâmetros arquitetônicos
Índice de área foliar (L) 6,175
Índice de área de galhos (S) 0,025
Fração de cobertura da parte inferior do dossel (flo) 0,500
Fração de cobertura da parte superior do dossel (fup) 0,975
Parâmetros óticos
Refletância direta e difusa do solo no visível (ag.VIS) 0,100
Refletância direta e difusa do solo no infravermelho (ag.NIR) 0,400
Transmitância das folhas (dossel inferior) no visível (
lovis
) 0,070
Transmitância das folhas (dossel superior) no visível (
upvis
) 0,050
Transmitância das folhas (dossel inferior) no infravermelho (
lonir
) 0,250
Transmitância das folhas (dossel superior) no infravermelho (
upnir
) 0,200
Fonte: Yanagi (2006)
21
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Análise de sensibilidade
A análise de sensibilidade foi feita com o intuito de identificar os parâmetros
arquitetônicos e biofísicos do dossel que mais influenciam na refletância do dossel
para o sítio em estudo.
Os parâmetros de refletância simulados pelo modelo IBIS e analisados
foram: orientação das folhas e galhos da camada superior do dossel (
up
) e
orientação das folhas da camada inferior do dossel (
lo
), refletância das folhas da
camada superior e inferior do dossel na faixa do azul, do vermelho e do
infravermelho próximo (
upblue
,
loblue
,
upred
,
lored
,
upnir
, e
lonir
).
A orientação das folhas, para as duas camadas, tiveram os valores
simulados entre 1 (horizontal) e -1 (vertical). A resposta do modelo em relação
aos dois parâmetros pode ser visto na Figura 8. Para a região Amazônica, a
sensibilidade da inclinação das folhas, em geral é maior nas três bandas para o
dossel superior. Pode-se observar ainda, que a refletância estimada pelo IBIS
apresenta maior variação quando se modifica o
up
que o
lo
.
Isso porque, em uma floresta densa como a Amazônica, a parte superior do
dossel cobre grande parte da radiação, impedindo a chegada na parte do dossel
inferior e a retorno da refletância. Por isso, tem-se uma menor sensibilidade da
refletância em relação às folhas da parte inferior do dossel.
22
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
-1 -0,5 0 0,5 1
0,0096 0,0108
0,012 0,0132
0,0144 0,0156
0,0168 0,018
0,0192 MODIS
a
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
-1 -0,5 0 0,5 1
0,0096 0,0108
0,012 0,0132
0,0144 0,0156
0,0168 0,018
0,0192 MODIS
b
0,02
0,024
0,028
0,032
0,036
0,04
-1 -0,5 0 0,5 1
0,04 0,043
0,046 0,049
0,052 0,055
0,058 0,061
MODIS
c
0,02
0,024
0,028
0,032
0,036
0,04
-1 -0,5 0 0,5 1
0,04 0,043
0,046 0,049
0,052 0,055
0,058 0,061
0,064 MODIS
d
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
-1 -0,5 0 0,5 1
0,35 0,3676
0,3853 0,4029
0,4206 0,4382
0,4559 0,4735
0,4912 MODIS
e
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
-1 -0,5 0 0,5 1
0,35 0,3676
0,3853 0,4029
0,4206 0,4382
0,4559 0,4735
0,4912 MODIS
8
f
Figura 8 – Sensibilidade da refletância do dossel em relação à inclinação das
folhas da parte superior (a - c - e) e inferior (b - d - f) do dossel. ab – azul; cd –
vermelho; ef – infravermelho próximo.
O mesmo comportamento pode ser observado para a refletância das folhas
do dossel superior e inferior para cada banda (Figura 9). Esses parâmetros
tiveram seus valores variados entre uma faixa próxima dos valores de refletância
das folhas simulado no programa LIBERTY, para a banda do azul, vermelho e
infravermelho (Dawson et al., 1998).
Refletância
Refletância
Refletância
Refletância
up
up
up
lo
lo
lo
Refletânc
ia
Refletância
up
blue
up
red
up
nir
lo
blue
lo
red
lo
nir
23
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,009 0,011 0,013 0,015 0,017 0,019
-1 -0,8
-0,6 -0,4
-0,2 0
0,2 0,4
0,6 0,8
1 MODIS
A
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,009 0,011 0,013 0,015 0,017 0,019
-1 -0,8
-0,6 -0,4
-0,2 0
0,2 0,4
0,6 0,8
1 MODIS
B
0,02
0,024
0,028
0,032
0,036
0,04
0,04 0,045 0,05 0,055 0,06
0,065
-1 -0,8
-0,6 -0,4
-0,2 0
0,2 0,4
0,6 0,8
1 MODIS
C
0,02
0,024
0,028
0,032
0,036
0,04
0,04 0,045 0,05 0,055 0,06 0,065
-1 -0,8
-0,6 -0,4
-0,2 0
0,2 0,4
0,6 0,8
1 MODIS
D
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,35 0,4 0,45 0,5
-1 -0,8
-0,6 -0,4
-0,2 0
0,2 0,4
0,6 0,8
1 MODIS
E
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,35 0,4 0,45 0,5
-1 -0,8
-0,6 -0,4
-0,2 0
0,2 0,4
0,6 0,8
1
MODIS
F
Figura 9 - Sensibilidade da refletância do dossel em relação à refletância das
folhas da parte superior (A - C - E) e inferior (B - D - F) do dossel. ab - azul;
cd - vermelho; ef - infravermelho próximo.
No propósito de uma melhor calibração da refletância, um ajuste dos
elementos da camada inferior do dossel pode ser útil. Porém, somente na banda
do infravermelho próximo mostrou ser mais sensível aos parâmetros de inclinação
e refletância da folha para o dossel inferior. A Figura 10 mostra que a inclinação e
a refletância das folhas no infravermelho da parte inferior do dossel afeta mais a
refletância do dossel. Nesse trabalho não foi necessário a utilização de uma
calibração fina, pois somente com os parâmetros do dossel superior já se atingia a
aproximação entre os dados de refletância do MODIS e IBIS. Porém com dados
Refletância
Refletância
Refletância
Refletância
up
blue
lo
blue
up
red
up
nir
lo
nir
lo
red
up
up
Refletância
Refletância
up
lo
lo
lo
24
medidos em campo talvez uma melhor aproximação desse parâmetro pudesse ser
ajustada.
A
B
C D
E F
Figura 10 - Sensibilidade da refletância das folhas da parte inferior do dossel.
AB – azul; CD – vermelho; EF – infravermelho próximo.
Refletância
Refletância
Reflet
ância
Refletância
lo
blue
lo
nir
lo
red
Refletância
Refletância
lo
lo
lo
lo
blue
lo
red
lo
lo
nir
lo
lo
25
4.2. Calibração da refletância e inclinação das folhas
Com a análise de sensibilidade foi possível identificar que os parâmetros
mais influentes na refletância em cada banda pertencem à parte superior do
dossel. As refletâncias em cada banda da camada inferior do dossel, foram
fixadas em 0,062 (para o azul e o vermelho) e 0,60 (para o infravermelho
próximo), e a inclinação da folhas em
lo
= 0,10, valores obtidos por Yanagi
(2006). Para os dados do MODIS, foram calibradas as refletâncias das folhas,
para cada banda, e a inclinação das folhas (
up
), todos para a camada superior
do dossel.
Várias combinações entre refletância das folhas (em cada banda) e
inclinação das folhas da parte superior do dossel foram testadas de acordo com
dois produtos do MODIS, refletância de superfície e o índice de vegetação EVI.
Assim, foi feita uma calibração desses fatores, levando em consideração cada
banda separadamente e uma calibração levando em consideração as três bandas
juntas (azul, vermelho e infravermelho próximo), que são utilizadas para o cálculo
do EVI.
Essas calibrações foram feitas observando o menor valor do RMSE para a
refletância obtida pelo modelo em comparação aos dados de refletância de
superfície em cada banda do MODIS (Figura 11) e em relação ao EVI (Figura 12),
combinando os valores de
up
e
up
.
Para a refletância das folhas, os valores para os quais se obteve um melhor
ajuste da refletância do dossel foram: para a faixa do azul, (
upblue
) variando
entre 0,0128 e 0,0137, para o vermelho (
upred
) estão entre 0,0463 e 0,0471, e
para o infravermelho próximo (
upnir
) estão entre 0,4338 e 0,4348.
Com relação aos parâmetros geométricos, o valor da inclinação das folhas,
que minimizou o RMSE da refletância do dossel, para as três bandas tiveram
resultados distintos. Para a banda do azul, a melhor configuração foi
up
entre os
valores de 0 e 0,1, para o vermelho
up
entre 0,37 e 0,47, e para a faixa do
26
infravermelho próximo os melhores valores estão entre 0,90 e 0,95 para
up
. A
diferença para os valores de
up
encontrados para cada banda está relacionada
aos erros causados pelas diferenças das propriedades de cada comprimento de
onda estudados. Fenômenos como absorção, reflexão e espalhamento pelos
constituintes da atmosfera, presença de água líquida nos componentes do dossel
influenciam na refletância medida pelo sensor. Nem todos os dados do sensor
referente à localização do sítio foram obtidos com a visada no nadir, isso causa
uma diferença entre as medidas, que também é fonte de divergências na
calibração.
Para encontrar um valor único para
up
, mais condizente para o modelo,
outra calibração foi realizada utilizando os produtos de EVI do MODIS. A razão é
que o EVI é uma normalização das três bandas (azul, vermelho e infravermelho
próximo) com fatores de correção atmosférica e do solo. Dessa forma tem-se,
também, a calibração das três bandas e da inclinação das folhas simultaneamente
(Figura 12).
Dessa maneira, a configuração para os parâmetros óticos e geométricos,
que minimizou o RMSE (0,0245) foi
upblue
= 0,0162,
upred
= 0,0466,
upnir
= 0,4427 e um
up
= 0,92.
Os valores ótimos da refletância das folhas na faixa do azul e infravermelho
próximo tiveram pequenas alterações em relação à análise de cada banda
separadamente, enquanto a banda do vermelho dentro da faixa ótima encontrada
anteriormente.
Com relação à inclinação das folhas, o resultado mostrou aproximação
com a calibração do infravermelho próximo, indicando que as correções
(atmosféricas, solo e visada) contidas nos dados do EVI resultaram em bons
resultados para a calibração, visto que o EVI possui correções tanto na faixa do
azul como no vermelho.
27
Figura 11 - Valor do RMSE para cada valor de refletância e inclinação das folhas.
a - azul; b - vermelho; c - infravermelho próximo
28
Figura 12 – RMSE dos valores de EVI para as configurações de inclinação das
folhas e refletância da folha em cada comprimento de onda do dossel superior.
Yanagi (2006) obteve um
up
igual a 0,86 no estudo da simulação do
albedo para a mesmo sítio em estudo, baseando-se nas análises das faixas do
VIS e NIR. Por outro lado, Bonan (1996) e Oleson et al. (2004) encontraram um
valor variando entre -0,4 e 0,6 para o mesmo parâmetro na simulação do albedo
do dossel. O valor igual a 0,86 está mais próximo da calibração obtida através de
comparação com o EVI.
Os resultados desse trabalho têm a limitação da ausência das campanhas
de campo que podem adicionar erros, sendo os dados do MODIS um produto que
já possui certa imprecisão.
A Figura 13 mostra os gráficos de dispersão dos dados MODIS e dos
simulados para os anos de 2002, 2003 e 2004. Os gráficos indicam a linearidade
dos dois dados, quanto mais próximo da reta y=x, maior a proximidade dos dados.
Os dados mostram também pouca variação interanual.
29
2002
2003
2004
Figura 13 - Dispersão entre os dados MODIS e os obtidos pelo IBIS
MODIS
IBIS
MODIS
IBIS
MODIS
IBIS
30
5. SUMÁRIO E CONCLUSÕES
Nesse estudo foi avaliada a sensibilidade da refletância nas bandas do azul
(460 nm), vermelho (650 nm) e infravermelho próximo (850 nm) simulada pelo
modelo IBIS para um conjunto de parâmetros ópticos e arquitetônicos do dossel
de uma floresta tropical.
As refletâncias foram avaliadas de acordo com os dados do sensor MODIS,
para a reserva biológica de Cuieiras (K34). A análise de sensibilidade indicou forte
resposta para os parâmetros referentes à parte superior do dossel. A combinação
dos parâmetros para um menor RMSE = 0,0245 foi
up
= 0,92,
upblue
= 0,0162,
upred
= 0,0466,
upnir
= 0,4427 em comparação com o índice
de vegetação EVI.
Esse estudo indica o potencial da simulação em faixas menores do
espectro eletromagnético para a parte de transferência radiativa do modelo de
dinâmica de vegetação IBIS.
Implementar faixas menores de refletância no modelo adiciona a
possibilidade de estimar novas características importantes no estudo da
vegetação, assim também como o cálculo dos índices de vegetação e outros
parâmetros importantes para a modelagem dos sistemas ambientais.
Em estudos futuros, adições de parâmetros como dinâmica do índice de
área foliar, possibilitam maior verificação da sazonalidade e aplicação em
diferentes biomas. Estudos para áreas maiores é uma ótima prática na área de
31
modelagem, onde se observaria a resposta da vegetação em cada região com
relação às características climáticas nessa região.
Vale ressaltar a importância das campanhas de campo para esse tipo de
estudo, sendo essas medidas menos influenciadas pelos constituintes
atmosféricos. A união entre modelagem, campanhas de campo e dados de
sensoriamento remoto completariam o estudo da refletância para os modelos
climáticos.
32
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