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Universidade Federal de Goiás Instituto de Estudos Sócio-Ambientais
Programa de Pesquisa e Pós-Graduação em Geografia
DESEMPENHO DO SATÉLITE SINO-BRASILEIRO DE
RECURSOS TERRESTRES (CBERS-2) NO
MAPEAMENTO DA COBERTURA DE
SOLOS DO CERRADO BRASILEIRO
Candidato: Heleno da Silva Bezerra
Orientador: Prof. Dr. Laerte Guimarães Ferreira
Goiânia 2006
ii
HELENO DA SILVA BEZERRA
DESEMPENHO DO SATÉLITE SINO-BRASILEIRO DE
RECURSOS TERRESTRES (CBERS-2) NO
MAPEAMENTO DA COBERTURA DE
SOLOS DO CERRADO BRASILEIRO
Dissertação apresentada como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Geografia. Programa de Pesquisa e Pós-Graduação
em Geografia. Universidade Federal de Goiás.
Orientador: Prof. Dr. Laerte G. Ferreira
Goiânia 2006
iii
TERMOS DE APROVAÇÃO
HELENO DA SILVA BEZERRA
DESEMPENHO DO SATÉLITE SINO-BRASILEIRO DE
RECURSOS TERRESTRES (CBERS-2) NO
MAPEAMENTO DA COBERTURA DE
SOLOS DO CERRADO BRASILEIRO
Dissertação aprovada como requisito parcial para a obtenção do grau de mestre em Geografia, da Universidade Federal de Goiás, pela seguinte banda examinadora:
Orientador: Prof. Dr. Laerte G. Ferreira
Instituto de Estudo Sócio-Ambientais, UFG
Co-orientador Dr. Edson Eyji Sano
EMBRAPA-CERRADOS
Membro da banca: Profa. Dra. Claúdia Valéria de Lima
Instituto de Estudo Sócio-Ambientais, UFG
iv
B574d Bezerra, Heleno da Silva. Desempenho do satélite sino-brasileiro de recursos terrestres (CBERS-2) no mapeamento da
cobertura dos solos do cerrado brasileiro. / Heleno da Silva Bezerra. – Goiânia, 2006. vii, 53 f.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Goiás, Instituto de Estudos Sócio-Ambientais, Goiânia, 2006.
Orientador: Laerte Guimarães Ferreira
1. Sensoriamento remoto 2. Sazonalidade 3. Cerrado 4. CBERS-2 I. Título.
CDD 621.3678
v
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, a DEUS, que deu origem à minha vida.
Ao Prof. Dr. Laerte Guimarães Ferreira, pela amizade e orientação durante todas
as etapas da elaboração desta pesquisa.
Ao pesquisador e grande amigo Dr. Edson Eyji Sano, pelos valiosos
comentários, observações e sólido suporte técnico durante todo o decorrer do trabalho.
À Embrapa Cerrados e à Universidade Federal de Goiás (IESA e LAPIG), pela
oportunidade de realização do curso.
Aos meus sogros, pela ajuda e apoio durante a minha ausência. À minha
cunhada Carinna, pela ajuda no translado.
A todos os professores do IESA, pelas informações ministradas durante o curso
e pela amizade.
À Agência Espacial Norte-Americana (NASA), pelo fornecimento das imagens
MODIS.
Ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), pela disponibilização das
imagens do CBERS-2.
A todos do Laboratório de Biofísica Ambiental, Edim Borges, Antônio Fernando
Macena, Elaine Cristina de Oliveira, Elaine Marra de Santana, Thaise Sussane de Souza
Lopes e Eristelma T.J. Barbosa Silva, pelo apoio e ajuda no trabalho.
Ao grupo do LAPIG-UFG, Marcelo, Marisa, Manuel, Raphael e Fábio, pelo
apoio no tratamento e fornecimento dos dados.
Finalmente, agradeço a todos que direta e indiretamente colaboraram para a
elaboração deste estudo.
vi
À minha esposa Wedma,
Pelo amor, sacrifício, presteza e dedicação.
Às minhas filhas Thays, Yohanna e Lorenna,
Pelo aprendizado de todos os dias.
E aos meus pais, Marcelina e Antonia,
Meus exemplos de humildade e caráter.
vii
SUMÁRIO
Pág.
Resumo ........................................................................................................................ viii
Abstract............................................................................................................................ ix
CAPÍTULO 1 – CONSIDERAÇÕES INICIAIS ............................................................. 1
1.1 – Contexto da pesquisa ............................................................................................... 1
1.2 – Formato da dissertação ............................................................................................ 2
1.3 – Principais resultados ................................................................................................ 2
CAPÍTULO 2 – O PROGRAMA CBERS ...................................................................... 4
ANEXO: Desempenho do satélite sino-brasileiro de recursos terrestres (CBERS-2) no
mapeamento da cobertura de solos do Cerrado brasileiro (artigo submetido) ................. 8
viii
RESUMO
Dados orbitais de sensoriamento remoto constituem-se numa das formas mais
eficientes, senão a única, para mapear a conversão de vegetação natural em áreas
antrópicas ou para monitorar a sazonalidade de regiões extensas e com vias de acesso
deficientes. O bioma Cerrado, com mais de 200 milhões de hectares, atividades
intensivas de produção agropecuária e sazonalidade marcante, apresenta-se como um
exemplo típico de região descrita acima. Nos últimos anos, as potencialidades de
diferentes satélites como o Landsat, Terra/MODIS e JERS-1 para monitorar o Cerrado
têm sido avaliadas por especialistas da Embrapa Cerrados, Universidade Federal de
Goiás, Universidade Federal de Uberlândia e outras instituições de pesquisa e ensino.
Este não é o caso do satélite sino-brasileiro de recursos terrestres denominado de
CBERS-2 (China-Brazil Earth Resources Satellite), cujos dados podem ser obtidos
gratuitamente através da internet. Esse estudo avaliou o potencial do CBERS-2 para
discriminar e monitorar as classes representativas de cobertura de solos do Cerrado.
Para alcançar esse objetivo, foram adquiridas todas as passagens do CBERS-2 de 2004
sobre o Distrito Federal. Resultados estatísticos demonstraram um excelente potencial
para discriminar as principais classes de cobertura de solos do Cerrado. No entanto, para
o monitoramento da sazonalidade, há limitações devido ao problema de cobertura
persistente de nuvens sobre a região.
ix
ABSTRACT
Satellite-based remotely sensed data are one of the most efficient, if not the only
option, to either map the conversion of natural vegetation into anthropogenic areas or to
monitor the seasonality of wide regions with poor road network. The Cerrado biome,
with more than 200 million hectares, intensive food and meat production and marked
seasonality, is a typical example of the region described above. In past years, the
potential of different satellites such as the Landsat, Terra/MODIS and JERS-1 for
Cerrado monitoring has been evaluated by specialists from Embrapa Cerrados, Federal
University of Goias, Federal University of Uberlandia and other research and
educational institutions. This is not the case of China-Brazil Earth Resources Satellite
(CBERS-2), where the data can be obtained without costs through the internet. This
study analyzed the potential of CBERS-2 to discriminate and monitor the representative
classes of Cerrado´s land cover. We acquired all 2004 CBERS-2 scenes over the Federal
District in order to achieve this objective. Statistical results demonstrated that this
satellite has potential to discriminate the major land cover classes from Cerrado.
Nevertheless, there is some limitation to monitor its seasonality due to the persistent
cloud cover in the region.
1
CAPÍTULO 1
CONSIDERAÇÕES INICIAIS
1.1. CONTEXTO DA PESQUISA
No mês de outubro de 2004, o programa espacial sino-brasileiro completou seis
anos de existência. Dentro desse período, foram lançados dois satélites, o CBERS-1 em
14 de outubro de 1999 e o CBERS-2 em 21 de outubro de 2003. O programa CBERS
representa uma prova de que uma cooperação espacial entre países em desenvolvimento
é possível. Representa ainda a independência do país às tecnologias internacionais para
monitorar o seu vasto território e a capacitação tecnológica do Brasil na construção de
satélites de sensoriamento remoto e geração de algoritmos de produção de imagens. O
lançamento previsto de mais três satélites (CBERS-2B, 3 e 4) num futuro próximo, com
resoluções espacial e espectral mais finas, irão permitir a continuidade desse projeto.
Os dados do CBERS constituem-se numa excelente opção para substituir ou
complementar os dados provenientes de sensores ópticos comerciais com resolução
moderada (20 – 30 metros), como são os casos do satélite norte-americano Landsat TM
ou ETM+ ou do satélite francês SPOT. No entanto, poucos estudos têm sido conduzidos
para demonstrar o seu real potencial para mapear e monitorar os recursos terrestres e o
meio ambiente em quaisquer dos seis biomas brasileiros (Amazônia, Caatinga, Campos
Sulinos, Cerrado, Mata Atlântica e Pantanal). Essa dissertação aborda o referido
potencial para o bioma Cerrado.
Parte dos dados analisados nessa dissertação corresponderam às imagens digitais
do CBERS-2 do Distrito Federal de 2004, disponíveis na homepage do Instituto
Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) (http://www.dgi.inpe.br). A outra parte
importante dos dados referiram-se às porcentagens de cobertura verde, estimadas a
partir de fotografias digitais de campo de três áreas com vegetação natural e uma área
com pastagem cultivada com Brachiaria. Todos esses pontos de amostragem situaram-
se dentro ou ao redor do Parque Nacional de Brasília, situado na porção norte do
Distrito Federal.
2
1.2. FORMATO DA DISSERTAÇÃO
O corpo principal dessa dissertação de mestrado consiste de um artigo técnico-
científico submetido à Revista Brasileira de Geofísica e que se encontra anexado no
final desse documento. O principal objetivo desse artigo foi investigar o potencial dos
dados do CBERS-2 para mapear e monitorar as classes mais representativas de
cobertura de solos do Cerrado (formações herbáceas, formações savânicas, formações
arbóreas, culturas agrícolas, pastagens cultivadas, reflorestamento e áreas urbanas
consolidadas e não-consolidadas).
Esse estudo constituiu-se, de certa forma, na continuação de uma cooperação
técnica que foi firmada em 2000 entre a Embrapa Cerrados e o INPE para gerar um
mapa semidetalhado (escala de 1:250.000) de remanescentes de cobertura vegetal
natural e uso antrópico do Cerrado com base na análise digital de imagens do CBERS-1.
Várias cenas do Cerrado já estavam sendo identificadas e enviadas para Brasília quando
houve uma descontinuação na aquisição de dados do CBERS-1. Essa proposta inicial
foi então informalmente alterada no sentido de se avaliar o potencial desse satélite para
mapear as classes mais representativas de cobertura de solos do Cerrado.
O processamento de imagens do CBERS-2 e as análises estatísticas foram
realizadas nos Laboratórios de Biofísica Ambiental (Embrapa Cerrados) e de
Processamento de Imagens e Geoprocessamento (Universidade Federal de Goiás). Os
principais pacotes computacionais utilizados foram o SPRING 4.1, o ENVI 4.0 e o
STATISTICA.
1.3. PRINCIPAIS RESULTADOS
A seguir, são listados os resultados mais relevantes dessa pesquisa:
a análise estatística multivariada e hierárquico e o teste Tukey mostraram que as
classes representativas de vegetação natural e uso antrópico do bioma Cerrado
podem ser discriminadas a partir da análise de imagens do CBERS-2;
o monitoramento da sazonalidade das fitofisionomias do Cerrado, através de
dados do CBERS-2, apresenta limitações devido à sua resolução temporal
3
relativamente grosseira (26 dias) e à cobertura de nuvens persistente sobre o
Cerrado durante o horário de passagem desse sensor; e
as duas bandas do sensor IR-MSS que operam na faixa espectral do
infravermelho médio possuem elevada correlação (r2 ~ 0,98), indicando que as
mesmas basicamente adquirem o mesmo tipo de informação do terreno.
4
CAPÍTULO 2
O PROGRAMA CBERS
O uso de dados de sensoriamento remoto orbital tem sido a maneira mais rápida,
precisa e econômica para monitorar alterações nos recursos naturais e no meio
ambiente. Este empenho pela qualidade de aquisição de dados, juntamente com a
necessidade de autonomia no monitoramento de recursos terrestres, resultou em uma
parceria entre os governos do Brasil e China, através do INPE (Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais) e a CAST (Academia Chinesa de Tecnologia Espacial). Iniciado
em 1988, o programa de cooperação China-Brasil lançou o primeiro satélite,
denominado de CBERS-1 (China-Brazil Earth Resources Satellite). Esse primeiro
satélite da série CBERS foi lançado pelo foguete chinês Longa Marcha 4B, localizado
no Centro de Lançamento de Taiwan em 14 de outubro de 1999, marcando uma nova
etapa no programa espacial brasileiro. Em 21 de outubro de 2003, foi lançado o
CBERS-2, que é uma versão melhorada do primeiro satélite, garantindo assim a
continuidade do programa espacial brasileiro. O CBERS-2 registra cenas em diferentes
resoluções espaciais, temporais e espectrais, atendendo a necessidades semelhantes de
ambos os países no mapeamento de áreas de difícil acesso em várias escalas.
O satélite CBERS transporta três sistemas ópticos (Tabela 2.1): câmeras CCD
(Câmera Imageadora de Alta Resolução - Charge Coupled Device), IR-MSS
(Imageador por Varredura de Média Resolução - Infrared Multispectral Scanner) e WFI
(Câmera Imageadora de Amplo Campo de Visada - Wide Field Imager). A órbita do
CBERS é heliossíncrona a uma altitude de 778 km e cruza o equador às 10h30, hora
local. Possui resolução temporal de 26 dias, tempo necessário para se ter imagens de
toda a superfície terrestre com as câmeras CCD e IR-MSS que possuem campos de
visada de 113 km e 120 km, respectivamente. Com relação à câmera WFI, que consegue
imagear uma faixa de 890 km de largura, o tempo necessário para uma cobertura global
é de cinco dias.
A câmera CCD possui resolução espacial de 20 metros. Essa câmera tem
capacidade de orientar seu campo de visada dentro de ± 32 graus, possibilitando a
obtenção de imagens estereoscópicas de uma certa região. A mesma opera em cinco
faixas espectrais, incluindo uma faixa pancromática de 0,51 a 0,73 µm. As duas faixas
5
espectrais do WFI são também empregadas na câmera CCD para permitir a combinação
dos dados obtidos pelas duas câmeras. A câmera de varredura IR-MSS estende o
espectro de observação do CBERS até o infravermelho termal. Esse sensor produz
imagens com uma resolução espacial de 80 m (160 metros para dados coletados no
infravermelho termal). Já o WFI fornece uma visão sinótica do terreno com uma
resolução espacial de 260 metros.
Tabela 2.1. Parâmetros de imageamento do satélite CBERS-2.
Parâmetro CCD IR-MSS WFI
1 0,45-0,52 0,50-1,10 (pan) 0,63-0,69
2 0,52-0,59 1,55-1,75 0,76-0,90
3 0,63-0,69 2,08-2,35
4 0,77-0,89 10,40-12,50
Bandas (µm)
5 0,51-0,73 (pan)
Campo de
visada
8,3o
8,8o
60o
Resolução
espacial (m)
20
80 (pan e IV) 160 (termal)
260
Resolução temporal
26 dias
26 dias
3-5 dias
Faixa de
imageamento
113 km
120 km
890 km
Com os lançamentos dos seus sucessores já previstos (CBERS-2B, CBERS-3 e
CBERS-4), espera-se que os dados desses satélites alcancem, num futuro próximo, a
qualidade apresentada pelo sétimo e último satélite da série LANDSAT, o qual já possui
uma tecnologia consolidada de quase 30 anos no espaço. Embora o LANDSAT 7
continue adquirindo dados, as suas imagens estão, de certo modo, comprometidas
devido a problemas técnicos enfrentados no corretor de linhas de imageamento no final
de 2003. Em termos nacionais, esse fato aumenta a importância do CBERS como uma
alternativa viável para substituir esse satélite norte-americano. Para isso, pesquisas no
6
sentido de avaliar a qualidade dos dados do CBERS-2, em diferentes condições de uso e
ocupação do solo, precisam ser desenvolvidas.
Para monitorar o bioma Cerrado através de imagens do CBERS-2, é necessário
reunir um conjunto de cenas composto por 288 imagens (Figura 2.1) (órbitas: 150 a
176; pontos: 103 a 125). O principal problema a ser solucionado refere-se à obtenção de
imagens sem cobertura de nuvens. Estudos realizados por Sano et al. (2005) indicaram
que a possibilidade de obtenção de imagens ópticas do Cerrado, na estação chuvosa
(outubro a março) e com menos de 10% de cobertura de nuvens é inferior a 20%.
Figura 2.1. Localização de imagens CBERS-2 na região do Cerrado brasileiro.
7
Uma amostragem dos tipos de aplicações do CBERS-2 em agricultura pode ser obtida
através de uma listagem das pesquisas que vêm sendo realizadas por diferentes centros
de pesquisa da Embrapa (um exemplo para cada centro de pesquisa):
Embrapa Monitoramento por Satélite (Campinas/SP): elaboração de um
sistema de gestão territorial da região nordeste do Estado de São Paulo;
Embrapa Amazônia Oriental (Belém/PA): avaliação da mudança do uso e
cobertura da terra e seus reflexos na qualidade da água numa microbacia
hidrográfica do município de Paragominas, Pará;
Embrapa Clima Temperado (Pelotas/RS): mapeamento de uso atual da
terra no município de Candiota, RS;
Embrapa Meio Ambiente (Campinas/SP): identificação de voçorocas na
região de nascente do rio Araguaia; e
Embrapa Pantanal (Corumbá/MS): avaliação da dinâmica de inundação na
planície de inundação do Pantanal.
8
9
DESEMPENHO DO SATÉLITE SINO-BRASILEIRO DE RECURSOS TERRESTRES (CBERS-2) NO MAPEAMENTO DA COBERTURA DE SOLOS DO CERRADO BRASILEIRO
Heleno da Silva Bezerra(1) Edson Eyji Sano(1)
Laerte Guimarães Ferreira(2)
(1) Embrapa Cerrados, BR-020, km 18, Caixa Postal 08223, CEP: 73301-970 Planaltina, DF. Tel. (61) 3388.9874, Fax (61) 3388.9879. E-mail: [email protected], [email protected] (2) Universidade Federal de Goiás, Instituto de Estudos Sócio-Ambientais, Laboratório de Pocessamento de Imagens e Geoprocessamento, Campus Samambaia, Caixa Postal 131, CEP: 74.001- 970 Goiânia, GO. Tel. (62) 3521.1096. E-mail: [email protected]
RESUMO
Com o sucesso do lançamento de dois satélites sino-brasileiro de recursos terrestres
(CBERS – China-Brazil Earth Resources Satellite), com a garantia de continuidade desse
programa e com a disponibilização dos seus dados sem custos na internet, as cenas do
CBERS-2 passaram a ser uma excelente opção para os usuários de dados ópticos de
sensoriamento remoto com resolução espacial intermediária, em diversas aplicações. Nesse
estudo, dados multiespectrais e multitemporais dos três sensores do CBERS-2 (CCD, IR-
MSS e WFI) do Distrito Federal (DF) foram analisados para identificar os seus potenciais
para discriminar classes representativas de cobertura de solos da área de estudo. Para isso,
foram analisados estatisticamente 101 valores digitais médios amostrados sobre áreas
representativas de remanescentes de vegetação natural (formações herbáceas, arbustivas e
arbóreas) e uso antrópico (áreas urbanas, reflorestamentos e culturas agrícolas) da área de
estudo. Resultados dessa pesquisa demonstraram um bom potencial dos dados do CBERS-2
para discriminar classes representativas de cobertura de solos do DF e uma limitação para
10
monitorar variações sazonais dessas mesmas classes devido à cobertura de nuvens
persistente na maioria das imagens obtidas em 2005. Apenas as cenas do mês de julho
apresentaram índices inferiores a 10%.
Palavras-chave: CBERS-2, sensoriamento remoto, sazonalidade, Cerrado.
ABSTRACT
With the successful launching of two China-Brazil Earth Resources satellites (CBERS),
with the assurance of the continuity of this program and with the availability of their data
without costs in the internet, the CBERS-2 scenes became an excellent option for medium
spatial resolution, optical remote sensing users in several applications. In this study, the
multispectral and multitemporal data from three CBERS-2 sensors (CCD, IR-MSS and
WFI) from Federal District (DF) were analyzed in order to identify their potential to
discriminate representative land cover classes from the test site. We analyzed 101 mean
digital counts sampled over representative areas of remaining natural vegetation
(herbaceous, shrub- and wood-dominated formations) and land use (urban areas,
reforestation and croplands) from the study area. Results from this research showed the
potential of CBERS-2 data to discriminate land cover classes of DF and a limitation to
monitor their seasonal variations due to the persistent cloud cover in most of the images
acquired in 2005. Only the scenes from July presented less than 10% of cloud cover.
Keywords: CBERS-2, remote sensing, seasonality, tropical savanna.
11
NOTAS SOBRE OS AUTORES Heleno da Silva Bezerra é Geógrafo (UPIS/1990), Especialista em Sensoriamento Remoto (UnB/1993) e Mestrando em Geografia no Instituto de Estudos Sócio-Ambientais (UFG/2004-presente). Atualmente exerce a função de técnico de nível superior na Embrapa Cerrados desde 1978. Possui sólidas experiências nas técnicas de processamento digital de imagens e em sistemas de informações geográficas. Seus interesses de pesquisa envolvem análise ambiental de imagens orbitais de sensoriamento remoto, com ênfase no satélite sino-brasileiro da série CBERS. Edson Eyji Sano é Geólogo (USP/1983), Mestre em Sensoriamento Remoto (INPE/1987) e Doutor em Ciência do Solo (University of Arizona/1997). Atualmente é pesquisador da Embrapa Cerrados/Brasília, DF e professor credenciado do Instituto de Geociência/UnB. É co-editor do livro Sistema de Informações Geográficas: Aplicações na Agricultura. É responsável por projetos de pesquisa financiados pelo CNPq, Embrapa e MMA/Banco Mundial. Seus interesses de pesquisa envolvem estimativa de umidade de solos com sensores de microondas e mapeamento/monitoramento de cobertura de solos do Cerrado com sensores ópticos e de radar. Laerte Guimarães Ferreira é Geólogo (UnB/1990), Mestre em Geologia Econômica (UnB/1993) e Doutor em Ciência do Solo / Sensoriamento Remoto (University of Arizona/2001). Atualmente é professor do Instituto de Estudos Sócio-Ambientais (IESA) e do Programa de Doutorado em Ciências Ambientais (CIAMB) da Universidade Federal de Goiás, além de coordenador do Laboratório de Processamento de Imagens e Geoprocessamento (LAPIG/UFG). Coordena projetos financiados pelo CNPq, Banco Mundial, SIPAM e Governo do Estado de Goiás, além de colaborar em dois projetos financiados pela NASA no âmbito do projeto LBA. Seus interesses de pesquisa envolvem o mapeamento/monitoramento da paisagem (cobertura de solos e parâmetros biofísicos) com sensores ópticos de múltiplas resoluções.
12
INTRODUÇÃO
A necessidade de autonomia no monitoramento de recursos terrestres do Brasil
resultou em uma parceria entre os governos do Brasil e da China para o lançamento do
programa CBERS (China-Brazil Earth Resources Satellite). Os satélites CBERS-1 e
CBERS-2 foram lançados com sucesso em outubro de 1999 e outubro de 2003,
respectivamente. Três sucessores (CBERS-2B, CBERS-3 e CBERS-4) já estão previstos
para serem colocados em órbita num futuro próximo, com melhorias nas resoluções
espaciais e espectrais e garantindo a continuidade desse programa. Visando atender as
necessidades de ambos os países no mapeamento em múltiplas escalas, por exemplo, sobre
áreas de difícil acesso, os referidos satélites foram configurados para registrar dados da
superfície terrestre através de três sistemas ópticos: a câmera imageadora de alta resolução
(CCD - Charge Coupled Device); o imageador por varredura de média resolução (IR-MSS
- Infrared Multispectral Scanner); e o imageador de campo de visada amplo (WFI - Wide
Field Imager) (Santana, 2000). Os dados do CBERS-2 podem ser adquiridos gratuitamente
da internet, mediante efetivação de cadastro eletrônico na homepage do Instituto Nacional
de Pesquisas Espaciais (INPE; www.dgi.inpe.br).
A órbita do CBERS é heliossíncrona, cruzando a linha do equador às 10h30, hora
local. As câmeras CCD e IR-MSS possuem resolução temporal de 26 dias, enquanto que a
do WFI é de cinco dias (Tabela 1). O CCD opera com resolução espacial de 20 metros,
cinco bandas espectrais e uma faixa de imageamento de 113 km no terreno. O IR-MSS
possui resolução espacial de 80 metros, estende o espectro de observação do CBERS até o
infravermelho termal e possui faixa de imageamento de 120 km. Para os dados coletados
no infravermelho termal, a resolução é de 160 metros. A câmera WFI opera com resolução
13
espacial de 260 metros, duas faixas espectrais no vermelho e no infravermelho próximo e
uma faixa de imageamento de 890 km no terreno.
Tabela 1. Parâmetros de imageamento dos satélites CBERS-2, Landsat ETM+ e MODIS.
(pan = pancromático; IV = infravermelho).
Parâmetro CCD IR-MSS WFI ETM+ MODIS
1 0,45 - 0,52 0,50 - 1,10 (pan)
0,63 - 0,69 0,45 - 0,52
2 0,52 - 0,59 1,55 - 1,75 0,76 - 0,90 0,53 - 0,61
3 0,63 - 0,69 2,08 - 2,35 0,63 - 0,69
4 0,77 - 0,89 10,40 - 12,50 0,76 - 0,90
5 0,51 - 0,73 (pan)
1,55 - 1,75
6 10,4 - 12,5 (termal)
7 2,08 - 2,35
Bandas (µm)
8 0,52 - 0,90 (pan)
36 bandas espectrais
Resolução espacial
20 metros 80 metros (pan e IV) 160 metros
(termal)
260 metros 30 metros
15 metros (pan)
120 metros (termal)
250 metros (2 bandas)
500 metros (5 bandas)
1.000 metros (29 bandas)
Resolução temporal
26 dias 26 dias 3 - 5 dias 16 dias 1-2 dias
Faixa de imageamento
113 km 120 km 890 km 185 km 2.330 km
14
Dentre as diversas possibilidades de aplicação dos dados do CBERS-2, destaca-se o
mapeamento de cobertura de solos de diferentes regiões e em escalas distintas. Uma região
de estudo que apresenta um interesse particular no mapeamento e monitoramento de classes
de cobertura de solos é o bioma Cerrado. O Cerrado brasileiro, com cerca de 208 milhões
de hectares, é a principal fronteira agrícola do Brasil. Cerca de 75 milhões de hectares de
pastagens cultivadas e nativas nesse bioma (Sano et al., 2001) vêm produzindo 2,5 milhões
de toneladas de carne bovina por ano (~ 40% da produção nacional). Essa exploração
intensiva de solos do Cerrado necessita ser monitorada de forma contínua e precisa para
não provocar danos ambientais irreparáveis, decorrentes da fragmentação da vegetação
natural, perda da biodiversidade, erosão de solos e mudanças no ciclo global de gás
carbônico e outros gases de efeito estufa, conforme ressaltados por Ratter et al. (1997) e
Klink e Moreira (2002).
Em muitos aspectos, o Distrito Federal (DF; latitude sul: 15,47º; longitude oeste:
47,46º) pode ser considerado uma área representativa do Cerrado em termos de vegetação
natural e uso antrópico. As principais fitofisionomias do Cerrado podem ser encontradas no
DF em áreas de preservação permanente como o Parque Nacional de Brasília, a Reserva
Ecológica de Águas Emendadas e o Campo de Instrução de Formosa do Exército
Brasileiro. Na porção leste do DF, na região conhecida como PAD-DF (Plano de
Assentamento Dirigido do Distrito Federal), são encontradas algumas das principais
culturas agrícolas produzidas na região do Cerrado: soja, milho, trigo, algodão e feijão.
Nesse local, Sano et al. (2005a) identificaram a presença de 104 pivôs-centrais no DF (ano-
base: 2002). Na porção norte do DF, no padrão de relevo classificado como dissecado por
Steinke (2003), ocorrem vegetação nativa predominantemente arbóreo-arbustiva (Mata
Seca, Mata de Galeria e Cerradão, dentre outras, segundo a nomenclatura proposta por
15
Ribeiro e Walter, 1998). O Plano Piloto possui ainda terrenos representativos de áreas
urbanas extensas e consolidadas. Ao redor de cidades-satélite como Sobradinho e Paranoá,
têm-se diversas áreas urbanas em fase de consolidação. O objetivo principal desse estudo
foi analisar o desempenho dos sensores do CBERS-2 no mapeamento das principais classes
de cobertura de solos do Cerrado brasileiro, tendo como estudo de caso, o DF.
MATERIAL E MÉTODOS
O DF, com uma área de 5.814 km2, localiza-se no Planalto Central do Brasil e
possui uma altitude média em torno de 1.100 metros. O clima predominante nesta região é,
de acordo com a classificação de Köppen, do tipo tropical (Aw) e tropical de altitude (Cwa)
(Nimer & Brandão, 1972; Barros, 2003), com dois períodos sazonais bastante distintos: a)
período chuvoso, de outubro a março, onde se concentram mais de 80% da precipitação
anual; e b) período seco, de abril a setembro, com pluviosidade reduzida (< 50 mm/mês),
intensa insolação, pouca nebulosidade, grande amplitude térmica e níveis críticos de
umidade relativa do ar. A série histórica da estação meteorológica automática da Embrapa
Cerrados (latitude sul: 15,59o; longitude oeste: 47,71o) aponta para uma precipitação média
anual de 1.350 mm na região de estudo.
O DF localiza-se a leste do Maciço Mediano de Goiás e a oeste do cráton de São
Francisco, sobre quatro conjuntos litológicos distintos, os Grupos Canastra, Paranoá,
Bambuí e Araxá, com seus respectivos depósitos residuais ou coluvionares (Freitas Silva &
Campos, 1998; Campos, 2004). De acordo com Steinke (2003), o padrão de relevo mais
extenso do DF é o aplainado superior, seguido do dissecado. Latossolo Vermelho,
16
Latossolo Vermelho Amarelo e o Cambissolo são as principais classes de solos encontrados
no DF (Embrapa, 1978).
A análise do desempenho dos dados orbitais do CBERS-2 na discriminação de
classes de cobertura de solos do DF foi feita através da aquisição de duas cenas do CBERS-
2 de 08 de setembro de 2004 (órbita: 157; pontos: 117 e 118) e mais duas cenas do mesmo
satélite de 15 de julho de 2004 (órbita: 158; pontos: 117 e 118). Esse conjunto de quatro
órbitas/pontos é o que os usuários necessitam para ter toda a extensão do DF coberta pelos
sensores CCD e IR-MSS. Estas imagens foram registradas para o sistema de projeção
cartográfica UTM (Universal Transverse de Mercator), com sistema de coordenadas
geográficas (latitude e longitude) e referencial geodésico SAD69. O registro imagem-
imagem foi feito através de uma cena ortorretificada do Landsat ETM+ (geocover),
disponível na homepage da NASA (http://glcfapp.umiacs.umd.edu:8080/esdi/index.jsp). O
registro foi efetuado com um erro inferior a um pixel.
Foi adquirida ainda, através da internet
(http://edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome), uma cena registrada do sensor MODIS
(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) do DF de 14 de setembro de 2004 (tile:
h13v10; produto MOD13Q1, dados de reflectância). O sensor MODIS é transportado a
bordo dos satélites Terra e Aqua que compõem os Sistemas de Observação da Terra da
NASA. A órbita do satélite Terra é descendente e matutino (cruza a linha do equador às
10h30, hora local), enquanto a do Aqua é ascendente e verspertino (cruza a linha do
equador às 13h30, hora local). O MODIS fornece um recobrimento global e contínuo a
cada dois dias, com resoluções espaciais variando de 250 a 1.000 m, o que é possibilitado
pela sua faixa de imageamento de 2.330 km. As bandas 1 (0,62 – 0,67 µm) e 2 (0,841 –
0,876 µm) têm resolução espacial de 250 m; as bandas 3 a 7 (0,459 – 0,479 µm; 0,545 –
17
0,565 µm; 1,230 – 1,250 µm; 1,628 – 1,652 µm; e 2,105 – 2,155 µm, respectivamente)
possuem resolução de 500 m e as demais 29 bandas apresentam resolução de 1.000 m
(Justice et al., 2002).
As cenas do MODIS são disponibilizadas, georreferenciadas e corrigidas para os
efeitos da atmosfera, no formato hdf (hierachical data format). No caso do produto
MOD13 (índices de vegetação), este tipo de arquivo contém, além das imagens
propriamente ditas, um conjunto de metadados que retrata, pixel a pixel, a qualidade dos
índices de vegetação e dos dados de refletância utilizados (Huete et al., 2002).
Em relação à seleção e análise dos dados, foi definido um conjunto de 10 áreas de
treinamento (polígonos irregulares) nas seguintes unidades de mapeamento: área urbana
consolidada; área urbana não-consolidada; culturas agrícolas; pastagens cultivadas;
reflorestamento; mata indiferenciada (mosaico de Mata Seca, Mata de Galeria, Cerradão e
Cerrado Denso); mata de galeria; formações campestres do Cerrado (mosaico de Campo
Limpo, Campo Sujo, Campo Limpo Úmido e Campo com Murundus); e formações
savânicas do Cerrado (mosaico de Cerrado Ralo e Cerrado Típico). A localização e
individualização dessas áreas de treinamento foram efetuadas com base nos resultados da
dissertação de mestrado de Araújo Filho (2005), nos conhecimentos de campo dos autores e
numa imagem do satélite Landsat ETM+ de 20 de julho de 2001 (órbita: 221; ponto: 71).
Valores digitais médios nas bandas do vermelho (VM) e do infravermelho próximo
(IVP), calculados para cada área de treinamento, foram analisados através da elaboração
dos seus respectivos gráficos de dispersão. Esse tipo de análise é freqüentemente
encontrado na literatura (e.g., Huete et al., 1997), pois consegue separar, nitidamente, alvos
com cobertura vegetal verde de alvos desprovidos de folhas verdes (por exemplo, solo
exposto ou terrenos cobertos com palhada seca). Alvos sem vegetação verde costumam se
18
alinhar ao longo de uma reta, conhecida como linha do solo (Baret et al., 1993). A maior ou
menor dispersão ao longo dessa linha de solo depende, por exemplo, das condições de
umidade e de rugosidade ou do conteúdo de matéria orgânica e de íons de ferro nos alvos.
Para o sensor IR-MSS, o gráfico de dispersão envolveu dados obtidos pelas duas bandas no
infravermelho médio.
Com o intuito de fornecer subsídios para essa análise, foi incluído um outro gráfico
de dispersão com valores de reflectância (ρ) extraídos da imagem do satélite Landsat
ETM+ de 20 de julho de 2001. A conversão de VD para ρ foi feita no Laboratório de
Biofísica Terrestre e Sensoriamento Remoto (TBRS – Terrestrial Biophysical Remote
Sensing Laboratory) da Universidade do Arizona, em Tucson, AZ, EUA, com base em
modelagem atmosférica disponível no programa 6S (Vermote et al., 1997) e suporte de
dados espectrorradiométricos aerotransportados obtidos sobre o Parque Nacional de
Brasília, em 20 de julho de 2001 (Ferreira et al., 2003; Miura et al., 2003).
O desempenho dos dados CBERS-2 em discriminar as classes de cobertura de solos
da área de estudo foi avaliado através da análise estatística multivariada por agrupamento
hierárquico (cluster analysis, Dillon e Goldstein, 1984). A análise de agrupamento, cuja
medida de separabilidade entre as classes é apresentada na forma de um dendrograma de
similaridade (Moita Neto e Moita, 1998), foi aplicada para as bandas 2, 3 e 4 do sensor
CCD, bandas 2 e 3 do IR-MSS e bandas 1 e 2 do WFI. Essa análise foi complementada
com o teste Tukey (Kuehl, 2000), onde duas classes são consideradas radiometricamente
distintas toda vez que a hipótese nula (i.e., duas classes apresentam resposta radiométrica
idêntica) for associada a um valor de probabilidade (p) igual ou menor a 0,05 (p ≥ 0,05). O
19
teste Tukey foi aplicado considerando-se as bandas do vermelho e infravermelho próximo,
convertidos para índice de vegetação por diferença normalizada (IVDN):
VMIVP
VMIVP
VDVDVDVD
IVDN+−
= (1)
onde: VD = valor digital; IVP = infravermelho próximo; e VM = vermelho.
Foi definido um conjunto de quatro pontos amostrais no DF para abordar a questão
do efeito da sazonalidade na discriminação de classes de cobertura vegetal por meio de
dados do CBERS-2 (Tabela 2): Campo Sujo; Cerrado Ralo; Cerrado Típico; e pastagem
cultivada com gênero Brachiaria. As áreas de vegetação natural situaram-se no Parque
Nacional de Brasília e corresponderam aos mesmos pontos de controle do experimento
realizado em 2000 sob o escopo da LBA (Large Scale Biosphere-Atmosphere Experiment
in Amazonia; Ferreira et al., 2003). A área de pastagem plantada situou-se no limite norte
do referido parque. Formações florestais como a Mata de Galeria e a Mata Seca, também
presentes na área de estudo, não foram incluídas nessa análise por causa da sua baixa
variação sazonal relativa da biomassa verde, bem como pela dificuldade de amostragem.
Procurou-se caracterizar a variação sazonal dessas quatro classes espectrais durante
a maior parte do ano de 2005 através da aquisição de dados de campo relativos à
porcentagem de cobertura verde (% CV, proporção, em área, do terreno ocupada por
vegetação verde). Fotografias a nadir e no sentido descendente (altura aproximada: 1
metro) foram obtidas aproximadamente concomitante com as passagens do CBERS-2 a
cada três metros, ao longo de um transecto norte-sul com 30 metros de comprimento. Nas
20
extremidades de cada transecto, foram fixadas estacas de madeira para que as medidas
pudessem ser repetidas durante todo o ano de 2005. Conjuntos com 10-11 fotografias foram
obtidos para cada alvo através de uma câmera digital RGB convencional com as seguintes
características: resolução de 1.280 pixels x 960 pixels; lente com distância focal de 6,1 –
18,3 mm; e formato de gravação em jpg. A área no terreno fotografada pela câmera foi de
aproximadamente 1 m x 80 cm.
Tabela 2. Classes de cobertura de solos do Distrito Federal que foram selecionados para
análise do efeito da sazonalidade na sua discriminação com imagens do satélite CBERS-2.
Coordenadas Alvo Local
Latitude Longitude
Características da vegetação
Campo Sujo
Parque Nacional de Brasília
15o35’21”
48º00’24”
Extrato herbáceo dominante com presença esparsa de arbustos (~ 4% de arbustos)(a)
Cerrado Ralo
Parque Nacional de Brasília
15º36’26”
48º01’49”
Estrato arbustivo dominante com presença esparsa de lenhosas (~ 24% de arbustos; 5% de lenhosas) (a)
Cerrado Típico
Parque Nacional de Brasília
15º 43’59”
48º00’12”
Mistura de extratos herbáceo, arbustivo e arbóreo (~ 20% de arbustos; ~ 25% de lenhosas) (a)
Pastagem cultivada
Limite norte do Parque Nacional de Brasília
15º 35’08”
48º00’57”
Brachiaria decumbens
(a) Fonte: Ferreira et al. (2003).
21
A % CV para cada foto digital foi calculada através do uso da técnica de
classificação supervisionada. Para cada fotografia, foram selecionadas, no monitor do
computador, áreas de treinamento correspondentes à vegetação verde, solo, palhada seca e
eventuais sombreamentos para a obtenção de assinaturas espectrais específicas de cada
alvo. Essas assinaturas foram utilizadas para classificar toda a área cobertura pelas
fotografias, através do critério de máxima verossimilhança (MAXVER; Schowengerdt,
1997). As análises dos dados de % CV foram efetuadas com base nas médias de cada
transecto.
Pretendeu-se ainda extrapolar essa análise sazonal para as imagens multitemporais
do CBERS-2 desses mesmos pontos de amostragem. Para isso, foram adquiridas todas as
imagens do CCD, IR-MSS e WFI do DF de 2005, independentemente da porcentagem de
cobertura de nuvens.
DISCUSSÕES
A Figura 1 indica a localização de 91 áreas de treinamento distribuídas em todo o
DF que foram utilizados para avaliar o desempenho dos três sensores do CBERS-2 para
discriminar classes representativas de cobertura de solos na área de estudo. Amostras de
áreas com vegetação natural foram obtidas principalmente na porção norte do DF, mais
especificamente, dentro do Parque Nacional de Brasília e nas áreas de relevo dissecado,
dominado por rochas carbonáticas do Grupo Paranoá. Amostras de áreas antrópicas foram
obtidas principalmente na porção central (áreas urbanas e reflorestamento) e oriental
(culturas agrícolas e pastagens cultivadas) do DF.
22
área urbana consolidada (UCO) área urbana não-consolidada (UNC)
cultura agrícola (CUL) mata de galeria (MGA) pastagem (PAS)
reflorestamento (REF) formação savânica do Cerrado (SAV)
mata indiferente (MIN) formação campestre do Cerrado (CAM)3
Figura 1. Mosaico CBERS-2 sobre o Distrito Federal (banda 3) com a localização das
áreas de treinamento, obtida sobre áreas de Brachiaria decumbens (BRD), Cerrado Ralo
(CRA), Campo Sujo (CSU) e Cerrado Típico (CTI).
O total de áreas de treinamento em cada alvo selecionado, bem como o total de
pixels que foram estatisticamente analisados para cada classe temática e cada sistema
sensor são mostrados na Tabela 3. Nessa análise estatística, foram consideradas as médias
de valores digitais de cada área de treinamento e em cada banda espectral selecionada para
os cinco sistemas sensores em questão (CCD, IR-MSS e WFI, além do ETM+ e MODIS).
Devido a especificidades nas suas resoluções espaciais, o CBERS-2 CCD apresentou o
23
conjunto com maior número de pixels selecionados (total de 104.942 pixels), enquanto o
WFI apresentou o conjunto com o menor número de valores digitais (total de 1.624 pixels).
Tabela 3. Número total de pixels analisados estatisticamente para cada classe temática do
Distrito Federal e para cada sistema sensor considerado nesse estudo.
Número de Pixels Classes Temáticas
Total de Áreas de
Treinamento ETM+ CCD IR-MSS WFI MODIS
Área urbana consolidada
10 36.731 36.726 31.721 553 553
Área urbana não-consolidada
10 16.196 16.203 12.742 253 252
Culturas agrícolas
9 14.240 14.240 14.238 225 226
Pastagens cultivadas
11 1467 1466 1466 32 32
Reflorestamento 10 1.723 1.725 1.726 32 32
Mata indiferenciada
14
4.474
4.475
4.475
80
80
Mata de galeria 10 3.291 3.291 2.783 57 57
Formações savânicas do Cerrado
16
15.099
15.097
15.093
231
231
Formações campestres do Cerrado
11
9.465
11.719
9.469
161
161
TOTAL 101 102.686 104.942 93.713 16.24 1.624
24
O diagrama de dispersão da Figura 2a mostra as áreas urbanas consolidadas, as
culturas agrícolas e as pastagens cultivadas, todas com pouca atividade fotossintética
quando da passagem do satélite (mês de julho, estação seca), situadas próximo à linha
diagonal 1:1. Áreas de reflorestamento, matas de galeria e matas indiscriminadas situaram-
se nas posições mais afastadas da linha 1:1. Formações savânicas e campestres, além de
áreas urbanas não-consolidadas, com presença ainda significativa de vegetação nas suas
áreas interiores, localizaram-se em posições intermediárias do gráfico. Dispersão mais
significativa ocorreu ao longo da linha 1:1 e, em menor extensão, diagonalmente à mesma
linha, indicando que variações espectrais devido ao substrato geológico, pedológico e
matéria seca foram mais dominantes em relação a variações devido às atividades
fotossintéticas.
De uma maneira geral, as observações citadas acima para o sensor ETM+ valem
também para os dados do CBERS-2 CCD (Figura 2b). No entanto, duas diferenças
significativas puderam ser percebidas: introdução de uma confusão espectral entre a
pastagem cultivada e a formação campestre do Cerrado no sensor CCD; e uma menor
dispersão intra-classe de pontos para o sensor CCD.
O gráfico de dispersão envolvendo as duas bandas do IR-MSS nas faixas do
infravermelho médio (Figura 3) mostra a disposição dos alvos predominantemente ao
longo da linha 1:1, dificultando a separação espectral das classes de cobertura de solos, em
relação às duas bandas do CCD, analisadas anteriormente. Alvos com coberturas vegetais
menores, isto é, áreas urbanas consolidadas e não-consolidadas, pastagens cultivadas e
áreas com culturas agrícolas apresentaram valores digitais maiores. Alvos com
porcentagens de cobertura vegetal intermediária como as formações savânicas
apresentaram valores digitais intermediários.
25
Figura 2. Gráfico de dispersão de valores médios de reflectância das classes
representativas de cobertura de solos do Distrito Federal nas bandas 3 e 4 do Landsat
ETM+ (a) e CBERS-2 CCD (b) (para saber o significado das abreviações, vide Figura 1).
20
40
60
80
100
120
140
160
180
20 40 60 80 100 120 140 160 180
CCD - Vermelho
CCD
- IV
P
UCOUNCCULPASCAMSAVMGAMINREF(b)
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
Banda 3 (Vermelho)
Ban
da 4
(IV
P)
UCOUNCCULPASCAMSAVMGAMINREF
(a)
26
Outro aspecto notável apresentado nessa última figura é a correlação bastante
elevada das duas bandas do infravermelho médio do IR-MSS (r2 = 0,98). Essa correlação
elevada indica que as duas bandas estão registrando dados espectrais do terreno de uma
forma similar. Resultados de testes adicionais de correlação realizados com imagens
provenientes de outros biomas brasileiros (Amazônia, Caatinga, Mata Atlântica, Pantanal e
Campos Sulinos) confirmaram essa alta correlação (Tabela 4). A média das correlações,
considerando-se as cinco imagens foi de r2 = 0,96; a menor correlação foi encontrada para a
imagem da Amazônia (r2 = 0,94); e a maior para os biomas Caatinga e Pantanal (r2 = 0,99).
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 50 100 150 200
Banda 3 (IVM 1)
Ban
da 2
(IVM
2)
UCOUNCCULPASCAMSAVMGAMINREF
Figura 3. Gráfico de dispersão de valores digitais de classes representativas de cobertura de
solos do Distrito Federal nas bandas 2 (1,55-1,75 µm) e 3 (2,08 – 2,35 µm) do CBERS-2
IR-MSS (significado dos símbolos: vide Figura 1).
27
Tabela 4. Coeficientes de correlação entre as bandas 2 e 3 do CBERS-2 IR-MSS
adquiridas de cinco biomas brasileiros diferentes: Amazônia, Caatinga, Campos Sulinos,
Mata Atlântica e Pantanal.
Bioma Órbita/Ponto Tamanho da Área de
Treinamento
Correlação
(r2)
Amazônia 172/106 2.857 0,94
Caatinga 150/107 2.995 0,99
Campos Sulinos 158/135 2.488 0,96
Mata Atlântica 157/129 2.286 0,94
Pantanal 166/121 2.654 0,99
Dados do sensor MODIS praticamente apresentaram o mesmo nível de
separabilidade espectral do Landsat ETM+ ou do CBERS-2 CCD (Figura 4a). O mesmo
não se pode afirmar para os dados do sensor WFI. Pela primeira vez, muitos pontos,
especialmente os correspondentes aos alvos com pouca vegetação, situaram-se abaixo da
linha diagonal 1:1 (Figura 4b). Alvos com vegetação verde localizaram-se muito próximo
da mesma linha diagonal. Os resultados mostrados nessa figura indicam que o sensor WFI
do CBERS-2 pode ter apresentado problemas técnicos no sistema sensor durante alguma
etapa de gravação ou pré-processamento. Análise adicional de duas cenas do WFI sobre o
DF, adquiridas em 08 de setembro de 2004 e em 04 de abril de 2005, não apresentaram
essas tendências descritas acima. Pelo contrário, o comportamento foi similar aos
encontrados para os outros sensores. Por esse motivo, os dados do WFI de 08 de setembro
não serão analisados estatisticamente daqui em diante.
28
50
70
90
110
130
150
170
190
210
230
250
50 100 150 200 250
Banda 1 (Vermeho)
Ban
da 2
(IV
P)
UCOUNCCULPASCAMSAVMGAMINREF
(b)
Figura 4. Gráfico de dispersão de valores digitais de classes representativas de cobertura de
solos do Distrito Federal nas bandas do vermelho e infravermelho próximo do
Terra/MODIS (a) e do CBERS-2 WFI (b) (significado dos símbolos: vide Figura 1).
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 1000 2000 3000 4000
MODIS - Vermelho
MO
DIS
- IV
P
UCOUNCCULPASCAMSAVMGAMINREF
(a)
29
A Figura 5a mostra o dendrograma relativo à similaridade de classes de cobertura
de solos do DF, tendo como variáveis, as bandas espectrais 2, 3 e 4 do CCD. A banda 1 não
foi incluída nessa análise por teoricamente apresentar efeitos significativos de
espalhamento atmosférico nos dados sem correção atmosférica. Cinco grupos espectrais
podem ser destacados dessa figura (distância relativa: 18): a) áreas urbanas consolidadas,
áreas urbanas não-consolidadas e culturas agrícolas; b) pastagens cultivadas, formações
savânicas e formações campestres do Cerrado; c) reflorestamento; e e) mata de galeria e
mata indiscriminada. A maior similaridade foi encontrada entre pastagens cultivadas,
formações campestres e formações savânicas do Cerrado, o que, de certa forma, era
esperada por causa da sua cobertura vegetal predominantemente herbácea e seca durante a
passagem do satélite. A proximidade entre Mata de Galeria e Mata Indiscriminada no CCD
também já era esperada devido à similaridade nos índices de cobertura vegetal verde.
Para o sensor IR-MSS (Figura 5b; variáveis: bandas 2 e 3), foram obtidos os
seguintes grupos espectrais (distância relativa: 15): a) áreas urbanas consolidadas e não-
consolidadas; b) formações savânicas e campestres do Cerrado; c) culturas agrícolas e
pastagens cultivadas; d) matas de galeria e matas indiscriminadas; e e) reflorestamento.
Aqui, com exceção do último grupo de reflorestamento, todos os outros agrupamentos
apresentaram similaridades próximas.
Os resultados do teste Tukey para os dados do CCD convertidos para índice de
vegetação indicaram a discriminação dos seguintes grupos espectrais: formações
campestres, formações savânicas e pastagem cultivada; culturas agrícolas, áreas urbanas
consolidadas e áreas urbanas não-consolidadas; mata de galeria; e matas indiscriminadas e
reflorestamento. Tais agrupamentos são similares aos obtidos pela análise de agrupamento
envolvendo valores digitais originais. Diferenças sutis entre essas duas técnicas estatísticas
30
foram encontradas para as classes mata de galeria e áreas urbanas não-consolidadas, os
quais foram discriminados isoladamente ou agrupados com outras classes, dependendo da
técnica de análise.
A Tabela 5 mostra as datas de passagens do satélite CBERS-2 sobre o Distrito
Federal e as suas respectivas porcentagens de cobertura de nuvens e datas das campanhas
de campo para caracterização da vegetação (% CV). A porcentagem de cobertura de nuvens
foi calculada através da técnica de classificação não-supervisionada (K-médias). As
imagens utilizadas para esse cálculo foram os quick-looks (512 pixels x 512 pixels;
formato: jpg) disponíveis na homepage do INPE (www.dgi.inpe.br). Detalhes desse
procedimento podem ser encontrados em Sano et al. (2005b).
Para todos os alvos analisados, o máximo de cobertura verde foi encontrado no mês
de janeiro (49% de cobertura verde, Figura 6). Por outro lado, as taxas mais baixas de
cobertura verde foram encontradas no mês de agosto (porcentagem média de 14%). Outra
característica marcante é a tendência dos quatro alvos apresentarem padrões similares de
variação sazonal ao longo do ano. Isto significa que não houve indicação clara sobre a
existência de uma época específica do ano onde a capacidade de discriminação dos alvos
selecionados fosse mais acentuada. Convém ressaltar que essa conclusão está sendo
baseada sem levar em consideração as diferenças na densidade de cobertura dos estratos
arbustivo e arbóreo em cada alvo selecionado.
31
Tabela 5. Datas de passagem do satélite CBERS-2 sobre o Distrito Federal em 2005 e suas
respectivas porcentagens de cobertura de nuvens e datas de realização de trabalhos de
campo para caracterização da cobertura vegetal.
Trabalho de Campo Cena Data de Passagem do CBERS-2(*)
% Média de Cobertura de
Nuvens (quatro cenas)
Dia/Mês/Ano Dia doAno
1 16/01/2005 não disponível 17/01/2005 16
2 11/02/2005 56 14/02/2005 42
3 09/03/2005 59 09/03/2005 62
4 04/04/2005 35 08/04/2005 94
5 30/04/2005 62 02/05/2005 120
6 26/05/2005 37 01/06/2005 146
7 21/06/2005 45 21/06/2005 172
8 17/07/2005 12 20/07/2005 198
9 12/08/2005 20 12/08/2005 224
10 07/09/2005 31 08/09/2005 250
11 03/10/2005 não disponível 04/10/2005 276
12 29/10/2005 48 30/10/2005 302
(*) datas de passagens correspondentes à órbita: 157 e ponto 118 (órbita/ponto que cobre a
maior parte do Distrito Federal).
32
Distância Relativa
MIN
MGA
REF
CAM
SAV
PAS
CUL
UNC
UCO
0 5 10 15 20 25 30 35 40
(a)
Distância Relativa
REF
MIN
MGA
PAS
CUL
CAM
SAV
UNC
UCO
0 5 10 15 20 25 30 35 40
(b)
Figura 5. Dendrogramas obtidos da análise de agrupamento hierárquico utilizando como
variáveis, as bandas espectrais do CBERS-2. Variáveis: bandas 2, 3 e 4 do CBERS-2 CCD
(a); e bandas 2 e 3 do CBERS-2 IR-MSS (b).
33
0
10
20
30
40
50
60
70
16 42 68 94 120 146 170 196 222 248 273 299
Dias (Calendário Juliano)
% C
ober
tura
Ver
de
BRDCRACSUCTI
Figura 6. Variação multitemporal da porcentagem de cobertura verde obtida sobre áreas de
Brachiaria decumbens (BRD), Cerrado Ralo (CRA), Campo Sujo (CSU) e Cerrado Típico
(CTI), localizadas no Distrito Federal.
Quando as porcentagens de cobertura verde são acumuladas (Figura 7), nota-se
uma importante melhora na capacidade de discriminação dos alvos selecionados,
principalmente após o mês de abril, quando ocorre o início da estação seca. De uma forma
semelhante aos resultados encontrados por Ratana et al. (2005), todas as curvas
apresentaram formas sigmoidais, refletindo uma desaceleração no aumento ou manutenção
da cobertura verde durante a estação seca, nos meados do ano. O Cerrado Ralo foi a classe
que apresentou as maiores taxas de cobertura verde acumulada no extrato herbáceo,
34
enquanto o Cerrado Típico apresentou as menores taxas. Outro aspecto marcante mostrado
pelo gráfico foi a forma ligeiramente diferenciada da curva temporal da pastagem cultivada.
Essa classe apresentou os valores acumulados mais altos de cobertura verde no início do
ano (janeiro e fevereiro), porém, a partir de março, sofre uma redução mais acentuada em
relação aos outros alvos, passando a aumentar novamente no final do ano. Em outras
palavras, esssa classe foi a que apresentou maior sensibilidade em relação às variações
sazonais.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
16 42 68 94 120 146 170 196 222 248 273 299
Dias do Ano
% d
e Co
bert
ura
Ver
de
BRDCRACSUCTI
Figura 7. Variação multitemporal da somatória da porcentagem de cobertura verde obtida
sobre áreas de Brachiaria decumbens (BRD), Cerrado Ralo (CRA), Campo Sujo (CSU) e
Cerrado Típico (CTI), localizadas no Distrito Federal.
35
Quanto à análise dos efeitos da sazonalidade com base nas imagens do CBERS-2,
esta não foi possível devido a persistência de cobertura de nuvens. De um total de 10 cenas
do DF disponível na homepage do INPE para o ano de 2005, nenhuma apresentou
cobertura de nuvens inferior a 10%. A imagem de julho foi a que apresentou a menor taxa
de cobertura de nuvens (12%). Todas as outras apresentaram cobertura igual ou superior a
20%. Essa situação indica que a resolução temporal de 26 dias do programa CBERS é
inadequada para monitorar a acentuada sazonalidade do bioma Cerrado. A Figura 8 mostra
as probabilidades mensais de se obterem dados do CBERS-2 do DF com menos de 10% de
cobertura de nuvens. Essas probabilidades foram calculadas com base na série histórica de
20 anos de aquisição dos dados do Landsat (período de 1984 a 2003). Quando um
determinado mês/ano apresentava duas cenas do Landsat, aquela com a data mais recente
foi a selecionada para ser incluída nos cálculos estatísticos. A probabilidade mensal foi
obtida dividindo-se o número de cenas com menos de 10% de nuvens pelo número total de
cenas do mês em consideração, conforme detalhada em Sano et al. (2005b). Para o período
chuvoso (de outubro a março), a probabilidade de se obter imagens do CBERS-2 com
menos de 10% de nuvens é inferior a 30%, com uma probabilidade média de 17%. Esses
valores históricos confirmam a inadequabilidade da resolução temporal do CBERS-2 para o
monitoramento da sazonalidade do Cerrado.
36
0
10
20
30
40
50
60
70
Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez.
Meses
Prob
abili
dade
(%)
Figura 8. Probabilidade mensal de obtenção de imagens CBERS-2 do Distrito Federal com
menos de 10% de cobertura de nuvens. Estatística baseada na simulação com dados
históricos do satélite Landsat (período: 1984 a 2003).
37
CONCLUSÕES
A análise do desempenho dos três sensores do satélite CBERS-2 mostrou que é
apropriado para discriminação de classes de cobertura de solos do Distrito Federal e, por
extensão, do Cerrado brasileiro. A análise dos dados de campo referentes à porcentagem de
cobertura verde indicou que os dados multitemporais possuem um potencial maior de
discriminação de alvos do Cerrado, em relação aos dados monotemporais. Finalmente, o
monitoramento da variação sazonal das classes de cobertura de solos do Cerrado através de
imagens do satélite CBERS-2 é dificultado por causa da baixa periodicidade de aquisição
de dados do CBERS-2 e da intensidade relativamente elevada de cobertura de nuvens no
horário de passagem desse sistema sensor.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Embrapa Cerrados e a Universidade Federal de Goiás pelo
suporte computacional e financeiro e pela oportunidade que foi dada ao primeiro autor para
desenvolver curso de pós-graduação. O CNPq forneceu bolsas de produtividade em
pesquisa aos dois co-autores desse trabalho. Reconhecimento e gratidão são extensivos ao
Luciano Shiratsuchi, Edim Borges e Elaine C. Oliveira pelo apoio nos trabalhos de campo.
38
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43
EXPANDED ABSTRACT
Performance of China-Brazil Earth Resources Satellite (CBERS-2) for
mapping land cover of Brazilian Cerrado
CBERS-2 is an acronym for the new, orbital platform named China-Brazil Earth Resources
Satellite. This satellite records reflected and emitted surface energy from Earth by using
three optical systems: CCD (Charge Coupled Device), IR-MSS (Infrared Multispectral
Scanner) and WFI (Wide Field Imager). CCD has spatial resolution of 20 meters (15 meters
for pancromatic band) and five spectral bands in the visible and near infrared regions. IR-
MSS has a spatial resolution of 80 meters and records radiated energy within the middle
and thermal infrared wavelengths. WFI operates with two red and near-infrared bands and
has a spatial resolution of 260 meters. The temporal resolution and swath width of CBERS-
2 is 26 days and 113 km, respectively. In this study, we evaluated the potential of CCD, IR-
MSS and WFI to map and monitor the major land cover classes encountered in the
Brazilian tropical savanna (Cerrado). The selected test site was the Federal District (Distrito
Federal, DF; south latitude: 15.47º; west longitude: 47.46º), a representative area of
Cerrado in terms of typical natural vegetation and land use found in this ecosystem. Dry
season CBERS-2 scenes from DF (overpasses: July 15th and September 8th, 2004) were
downloaded from internet (www.dgi.inpe.br) for digital image processing. In order to
support the analysis, we also acquired a Terra/MODIS reflectance data from September
14th, 2004 ((tile: h13v10; product: MODI13) and a Landsat ETM+ scene from July 20th,
2001. The ETM+ data were converted to reflectance using 6S code. The CBERS-2 scenes
were registered to the UTM (Universal Transverse of Mercator) projection system (datum:
44
SAD69) by using an ortoretified scene (geocover) available in the NASA´s homepage
(http://glcfapp.umiacs.umd.edu:8080/esdi/index.jsp). The registration presented an error
smaller than one pixel. A set of 10 pixel sampling areas (polygons varying in shape and
size) were selected in the following representative land cover areas of DF: urban areas;
agriculture; managed pasture; reforestatation; forested areas; shrublands; and grasslands.
Mean digital numbers recorded by CCD, IR-MSS and WFI from these training areas were
analyzed by scatterplots and statistically (cluster analysis and Tukey test). Another set of
four field sampling points in the Federal District were defined to address the efects of
seasonality in the discrimination of Cerrado´s vegetated targets from the CBERS-2 data:
shrub Cerrado (Campo Sujo); wooded Cerrado (Cerrado Ralo); Cerrado shrubland (Cerrado
Típico); and cultivated pasture. Percent green cover was estimated monthly, for each of
these sites, throughout the year of 2005. In this case, digital, vertical, RGB photographs
were obtained in the field from a north-south, 30-meter transect (about 10-11 photos per
transect). Each digital photo was classified by the maximum likelihood supervised
classification technique. We intende to compare the percent green cover data with the
CBERS-2 spectral data. Thus, we acquired CBERS-2 data from 10 overpasses in 2005,
over the DF (from January to October), regardless of cloud cover conditions. Results from
this research showed the potential of CBERS-2 data to discriminate land cover classes of
DF. The CCD sensor presented the followwing discrimination capability: (a) urban areas
and croplands; (b) cultivated pastures, grasslands and shrublands; (c) reforestation; and (d)
forested areas. Generally, such discrimination capability was similar to those found for
Landsat ETM+ and Terra/MODIS. For IR-MSS sensor, we found the following
discrimination potential: (a) urban areas; (b) shrublands and grasslands: (c) croplands and
managed pastures; (d) forested areas; and (e) reforestation. The two middle infrared
45
spectral bands of IR-MSS showed a surprisingly very high correlation (r2 ~ 0.98),
regardless of land cover condition. Unfortunately, for the WFI sensor, there was an
awkward dispersion in its scatterplot. We could not evaluate this sensor by using some
further overpass because hereafter this sensor stopped to record data due to some technical
issue. Finally, CBERS-2 showed a serious limitation to monitor marked seasonal variations
over the Cerrado due to the persistent cloud cover in most of the images acquired in 2005.
Only the scene from July presented 12 % of cloud cover. The rest of images presented
cloud cover higher than 20%.
