O Processamento Digital de Imagens NOAA-AVHRR para a Estimativa de Temperatura de Superfície em Campo de Trigo Irrigado

Contato
Giampaolo Queiroz Pellegrino
CEPAGRI - UNICAMP
Cidade Universitária - Barão Geraldo
13.083-970 - Campinas - SP
e-mail: giam@cpa.unicamp.br

Autoria
Carlos Alberto Soares de Almeida - CEPAGRI - UNICAMP
Hilton Silveira Pinto - CEPAGRI - UNICAMP
Jurandir Zullo Jr. - CEPAGRI - UNICAMP
Emilia Hamada - FEAGRI - UNICAMP
Giampaolo Queiroz Pellegrino - CEPAGRI - UNICAMP

RESUMO
A estimativa de temperatura de superfície do dossel vegetativo (Ts), pode ser aplicada à análise de parâmetros agroclimáticos, comumente utilizados para a avaliação da evapotranspiração, umidade do solo e controle da irrigação. O sensor AVHRR trabalha com cinco bandas de imageamento. Duas delas, as bandas 4 e 5, captam energia eletromagnética terrestre na faixa termal do espectro, própria para o estudo de temperatura de superfícies vegetadas. No presente trabalho, estão sendo utilizadas séries de imagens diurnas e noturnas, fornecidas pelos sensores AVHRR a bordo dos satélites NOAA-9 e NOAA-14. Para a obtenção dos valores finais de Ts, as imagens serão processadas em softwares adequados ao tratamento de produtos NOAA-AVHRR. O processamento inclui o geo-referenciamento das imagens e as correções atmosféricas, para o qual se utilizará o método de correção "split window". Um radiômetro de campo foi utilizado nas medidas da Ts feitas in situ, por ocasião das passagens do satélite. Os dados orbitais de Ts já corrigidos, serão submetidos a uma análise de regressão contra os dados terrestres do mesmo parâmetro.

Palavras-chave: processamento digital de imagens; sensoriamento remoto; NOAA; AVHRR; temperatura de superfície; método split window; Triticum aestivum L.

ABSTRACT
The Surface temperature (Ts) estimate, can be applied to the agroclimatological parameter analysis, useful to evaluate evapotranspiration and soil moisture, and to irrigation schedulling. AVHRR works with five imaging channels. Two of them, the channels 4 and 5, receive terrestrial electromagnetic energy on the thermal range of the spectrum, useful to vegetated surface temperature studies. Diurnal and nocturnal image series are being used in this work. This images are provided by the AVHRR aboard the NOAA-9 and NOAA-14 satellites. For Ts final value obtaining, the images will be processed in suitable softwares to the treatment of NOAA-AVHRR products. The processing work includes both the geo-referencing of the images and their atmospheric correction applying the "split window" method. A terrestrial radiometer was used on the Ts measurements carried out in situ, during the satellite passes. The corrected Ts satellite data will be submitted to a regression analysis against the terrestrial data about the same parameter.

Keywords: digital image processing; remote sensing; NOAA; AVHRR; surface temperature; split window method; Triticum aestivum L.

1. Introdução

A temperatura de superfície (Ts), é um parâmetro fenológico notadamente influenciado por variações no clima, e indicador do estado hídrico da planta. Assim, a sua estimativa é de grande utilidade em trabalhos de monitoramento que assegurem o atendimento da demanda hídrica das culturas, podendo contribuir em programas de irrigação. A alta resolução temporal das plataformas NOAA e a baixa resolução espacial de suas imagens, podem fornecer informações sobre o estado da vegetação em maior freqüência e em escalal global. Estas características dos produtos AVHRR, podem tornar os trabalhos de monitoramento agroclimático mais ágeis e, portanto, mais eficientes. Este trabalho tem como objetivo estimar a Ts para a cultura do trigo para as condições climáticas de Paranapanema-SP, usando dados NOAA/AVHRR. Isto será realizado buscando uma correlação entre os dados de temperatura de superfície medidas pelo sensor do satélite e medidas feitas no campo. Será verificada ainda, a influência das temperatura e umidade relativa do ar, velocidade do vento e da precipitação, nas variações encontradas nos dados coletados de temperatura foliar da população vegetal estudada.

2. O experimento de campo

As medidas de campo foram tomadas em área de topografia plana, Latossolo Roxo, pertencente à Cooperativa Holambra, situada a 23 30'24'' de latitude Sul e 48 55'14'' de longitude Oeste, no Distrito de Holambra II, pertencente ao Município de Paranapanema, Estado de São Paulo. A espécie usada no plantio, foi o trigo (triticum aestivum L.), variedade IAC-24. O cultivo mecanizado foi feito em sistema de plantio direto, tendo sido concluído no período de três semanas contadas a partir de 15 de abril de 1995. A cultura foi irrigada periodicamente, utilizando-se sistema de irrigação por pivô central que se encontra instalado na área de estudo.

Dentro do campo já cultivado, foi selecionada uma área de 1 km2 (1 "píxel" terrestre), com uma bordadura de aproximadamente 0,5 km. No interior desta área, definiu-se um local considerado como representativo de todo o "píxel" onde se relizariam as medições, durante os horários previstos para as passagens do satélite. Este local foi chamado de "Parcela única". Para as tomadas de Ts no campo, feitas em nove repetições para cada passagem, foi utilizado um termômetro de radiação infravermelha, marca PYROVAR-USATHERM, modelo HPR-50, fabricado pela VEB MESSGERATEWER, operando na faixa espectral de 8,0 a 35,0 m, que coincidide com os comprimentos de onda da radiação captada pelas bandas termais do sensor AVHRR. A velocidade do vento em três repetições e a umidade relativa do ar, também foram medidas sempre dentro da Parcela única e durante os horários previstos para as passagens do satélite. Para tanto se utilizou, respectivamente, um anemômetro de paletas e um psicrômetro de aspiração; ambos fabricados pela RÖSSEL MESSTECHNIK. Objetivando o registro diário de dados de temperatura e umidade relativa do ar, foi instalado, em local próximo à área experimental, um abrigo meteorológico contendo um termógrafo e um higrógrafo; ambos da marca FISCHEN. Os dados pluviométricos foram coletados por um pluviômetro tipo "VILLE DE PARIS", também instalado em local próximo ao abrigo meteorológico.

3. O processamento digital das imagens

No processamento da imagem AVHRR para estimativas de Ts, os valores de nível de cinza das imagens fornecidas pelas bandas termais 4 e 5 do sensor são transformadas em um valor de radiância (RAD). Esta transformação é feita pelo uso de algoritmos específicos, como o proposto por KIDWELL (1995). Uma vez determinados os valores de RAD para os canais 4 e 5, a temperatura é calculada para cada um destes canais, usando um segundo algoritmo derivado da lei de Planck, demonstrada em VIANELLO & ALVES (1991). Interações da radiação eletromagnética (REM) com componentes atmosféricos, sobretudo o vapor d'água, difundem a radiação que chega ao sensor, o que leva a erros de leitura radiométrica, gerando informações distorcidas da "realidade terrestre". Assim, os valores de Ts até aqui obtidos só poderão representar a "realidade terrestre" após minimizados os efeitos atmosféricos. Ainda, a baixa resolução espacial dos produtos NOAA-AVHRR, ocasiona sérias distorções geométricas na imagem. É necessário, portanto, que se proceda às correções atmosférica e geométrica das imagens NOAA-AVHRR para que seu uso seja viabilizado.

3.1. A correção atmosférica

OTTLÉ & VIDAL-MADJAR (1992) testaram diferentes algoritmos de correção do efeito atmosférico em dados AVHRR, além de compará-los entre si. Os resultados mostraram a superioridade do método denominado "split-window". Este método, que é o mais comumente empregado na correção atmosférica para as imagens NOAA, se baseia na absorção diferencial da REM pelos componentes atmosféricos e consiste em se combinar as diferentes temperaturas fornecidas para cada uma das bandas termais do sensor (COLL et al., 1993). Visando a obtenção de um mapa de temperatura para pomares de laranja, SOBRINO & CASELLES (1991), também empregaram o método "split-window", obtendo resultados satisfatórios para a correção dos efeitos atmosféricos.

3.2. A correção geométrica

As distorções geométricas impossibilitam combinar espacialmente imagens de diferentes passagens, bem como identificar, em tais imagens, localidades de interesse (FIGUEIREDO, 1989). Segundo ASSAD (s/d), dois casos de aplicação de correção geométrica são de uso mais comum. No primeiro, uma vez conhecidas a latitude e longitude de um ponto, procura-se localizá-lo na imagem. No segundo caso, identificado o ponto, tenta-se determinar suas coordenadas geográficas.

3.3. O software e as imagens

O "METPRO", software adequado ao tratamento de produtos NOAA-AVHRR, será utilizado no processamento dos dados orbitais coletados pela antena da estação terrestre de recepção de imagens NOAA, instalada no CEPAGRI (Centro de Ensino e Pesquisa em Agricultura) - UNICAMP (Universidade Estadual de Campinas), localizada no Distrito de Barão Geraldo, Município de Campinas, Estado de São Paulo. Foram selecionadas seis imagens diurnas (cinco do NOAA-14, todas captadas por volta das 14:00 h e uma do NOAA-9, próxima às 9:00 h) e seis noturnas (quatro do NOAA-14, feitas em torno das 1:30 h e duas do NOAA-9, recebidas perto das 21:30 h), em passagens ascendentes ou descendentes. Para que uma imagem fosse selecionada, o centro da passagem deveria se posicionar sempre a oeste da estação de recepção. A antena deveria ainda, estar posicionada a um ângulo de elevação mínimo de 60 em relação ao maior eixo de passagem da plataforma.

4. A análise dos dados

Os dados orbitais de Ts já processados, serão submetidos a uma análise de regressão contra os dados terrestres do mesmo parâmetro. Os dados de temperatura e umidade relativa do ar, velocidade do vento e pluviometria serão, da mesma forma ,correlacionados tanto com os valores orbitais quanto aos os valores terrestres de Ts.

5. Resultados esperados

Espera-se estimar a temperatura de uma superfície cultivada com trigo, para as condições climáticas observadas para a região de Paranapanema-SP, através da obtenção de um coeficiente de correlação entre as medidas de temperatura de superfície feitas pelo sensor do satélite e aquelas tomadas no campo. Espera-se, ainda, verificar a influência da velocidade do vento, precipitação, temperatura e umidade relativa do ar, nas variações encontradas para os dados tomados de temperatura foliar da cultura.

6. Referências bibliográficas

ASSAD, E. D. Sensoriamento remoto e agrometeorologia: possibilidades de aplicação dos satélites meteorológicos na agricultura. Brasília, D.F. : EMBRAPA- CPAC, s/d. 58p. (Apostila)
COLL, C.; CASELLES, V.; VALOR, E.; Atmospheric correction and determination of sea surface temperature in midlatitudes from NOAA-AVHRR data. Atmospheric Res., n. 30, p. 233-250, 1993.
FIGUEIREDO, D.C. Sistema de obtenção de índice de vegetação para a América do Sul por processamento digital de imagens NOAA -AVHRR. São José dos Campos : INPE, 1989. 84 p. Dissertação (Mestrado).
KIDWELL, K. B. NOAA polar orbiter data. Users Guide (TIROS-N, NOAA-6, NOAA-7, NOAA-8, NOAA-9, NOAA-10, NOAA-11, NOAA-12, NOAA-13 and NOAA-14). Washington, D.C.: NOAA / NESDIS / OSDPD, 1995. 262 p.
OTTLÉ, C. & VIDAL-MADJAR, D. Estimation of land surface temperature with NOAA-9 data. Rem. Sens. Env., n. 40, p. 27-41, 1992.
SOBRINO, J. A. & CASELLES, V. A methodology for obtaining the crop temperature from NOAA-9 AVHRR data. Int. J. Rem. Sens., v.12, n. 12, p. 2461- 2475, 1991
VIANELLO, R. L. & ALVES, A. R. Meteorologia básica e aplicações. Viçosa : UFV, Impr. Univ., 1991. 449 p.