09 a 11 de dezembro de 2015 Auditório da Universidade UNIT Aracaju – SE
ANÁLISE MULTI-TEMPORAL DO ÍNDICE DE VEGETAÇÃO POR DIFERENÇA NORMALIZADA (NDVI) COM USO DE SOFTWARE LIVRE PARA AVALIAR A DEGRADAÇÃO DA MATA ATLÂNTICA – ESTUDO DE CASO: MUNICÍPIO DE BRANQUINHA-AL
Wendell Santana Fagundes 1, Andressa Dayanne Celestino da Silva 2, Lucas Barbosa Cavalcante 3, Aline da Silva Inácio 4
1, 3 e 4 Universidade Federal de Alagoas, Maceió-AL, Brasil, [email protected]; {cavalcantelb, alineinacio91}@gmail.com 2 Universidade Estadual de Alagoas, Palmeira dos Índios-AL, Brasil, [email protected]
RESUMO
A Mata Atlântica possui uma grande biodiversidade de fauna e flora, conferindo-se num bioma heterogêneo por possuir fitofisionomias diversas. Considerada um hotspot por sua riqueza biológica, apresenta alto grau de espécies endêmicas que são alvos de medidas de conservação. Sabe-se que restam apenas 14,5% da sua área original devido as ações antrópicas, o que elenca esse bioma como um dos mais ameaçados. A Mata Atlântica estende-se por toda costa brasileira adentrando em parte do interior do país, e apesar de seccionada em vários fragmentos, contribui profundamente na preservação de mananciais hídricos, na contenção de encostas e na regulação do clima, beneficiando diretamente algo em torno de 120 milhões de brasileiros. Dentre os municípios abarcados inteiramente pela região de influência da Mata Atlântica optou-se, nesta pesquisa, por utilizar como área de estudo a cidade de Branquinha-AL. Esta cidade da Zona da Mata Alagoana possui cerca de 38,45% do seu território dentro de uma APA (Área de Preservação Ambiental), fato que não deu fim à supressão de remanescentes de mata Atlântica do município, evidenciando, ainda mais, a problemática do desmatamento na região. Diante disso, e devido aos impactos ambientais causados pela ação humana, o presente trabalho tem por objetivo acompanhar as alterações nos remanescentes de Mata Atlântica em Branquinha-AL entre os anos 1991 e 2011, através da variação temporal do Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI), uma técnica de sensoriamento remoto amplamente empregada na avaliação do vigor vegetativo de um dossel. Para o estudo foram empregadas imagens do sensor TM abordo do satélite Landsat 5, as quais foram processadas utilizando-se o software Spring 5.3. Obteve-se como resultado imagens classificadas de NDVI 1991 e 2011, sendo possível determinar regiões com Mata Atlântica no município de Branquinha-AL, e, consequentemente, avaliar as áreas que foram degradadas nesse intervalo de 20 anos.
Palavras-chave: geoprocessamento, índice de vegetação, álgebra de mapa.
1. INTRODUÇÃO
As técnicas para monitoramento ambiental evoluíram muito após a ascensão do sensoriamento remoto. Com a criação dos satélites artificiais, que aportam sensores imageadores, as observações espaciais se tornaram mais abrangentes e com resoluções temporais cada vez melhores. Diante disso, ampliou-se as possibilidades do acompanhamento de fenômenos em grande escala e de ocorrência rápida e constante, como é o caso da supressão de florestas.
Dentre os avanços científicos do sensoriamento remoto no estudo das coberturas vegetais, é destacável o caso dos índices de vegetação, pois indicam presença de biomassa verde através de combinações algébricas das bandas espectrais que compõem as imagens de satélite. Neste contexto, o Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI) se apresenta com um dos mais utilizados para o monitoramento de queimadas, da dinâmica de cobertura vegetal e do desmatamento [1].
O presente trabalho aplicou tais técnicas no monitoramento da Mata Atlântica, no estudo de caso da cidade de Branquinha, em Alagoas. Este bioma da costa brasileira foi intensamente degradado ao longo dos mais de 500 anos do país, sendo os setores agropecuário, madeireiro, siderúrgico e imobiliário os principais responsáveis pelo desmatamento [2]. Dados do IBGE, publicados em 2015, mostram que no ano de 2012 os remanescentes de Mata Atlântica representavam apenas 14,5 % da área original, colocando este bioma como o mais degradado do país. Em contrapartida os fragmentos de vegetação nativa da Mata Atlântica ainda guardam grande biodiversidade de fauna e flora, protegem mananciais hídricos e contribuem na contenção de encostas e regulação do clima, beneficiando diretamente cerca de 120 milhões de brasileiros [2].
2. OBJETIVOS
2.1. Gerais
Analisar a dinâmica da vegetação remanescente de Mata Atlântica no município de Branquinha-AL, entre os anos de 1991 e 2011, a partir da variação temporal de NDVI das imagens do sensor TM, a bordo do satélite Landsat 5.
2.2. Específicos
a) Determinação de um limiar mínimo de NDVI, nas datas escolhidas, para a mata Atlântica em Branquinha, por meio da análise de regiões amostrais com densidade uniforme de vegetação nativa;
b) Realizar estimativas da área total de mata Atlântica degradada no município de Branquinha-AL, entre os anos de 1991 e 2011;
c) Identificar possíveis atores envolvidos na dinâmica florestal ocorrida no intervalo dos 20 anos estudados;
d) Analisar o nível de contribuição da Área de Preservação Ambiental (APA) no amparo aos remanescentes de floresta.
3. ÁREA DE ESTUDO Branquinha é uma das cidades da zona da mata alagoana, e ocupa uma área de 166,148 km² [4]. O retângulo envolvente do perímetro do município é definido pelos vértices (9° 17’ 4,19” S, 36º 10’ 52,54” W) e (9° 8’ 17,91” S, 35°53’18,86” W), referentes ao Datum SIRGAS2000 (Figura 1). Seu relevo está integrado a unidade das Superfícies Retrabalhadas, a qual apresenta retrabalhamento intenso, com relevo dissecado e profundos vales [5]. Já o clima predominante da região é o Tropical chuvoso com verão seco e estação chuvosa no outono/inverno, a temperatura mínima é de 20°C e 34ºC de máxima, acompanhadas de uma precipitação anual média que varia de 1.500 mm no Oeste a 1.900 mm no Leste do município [6].
A economia local é baseada, em sua maior parcela, nos serviços, seguido da agropecuária e da indústria canavieira, sustentando um PIB de 51,1 milhões no último cálculo em 2012 [7]. Cortado pelo rio Mundaú, o município de Branquinha foi um dos afetados pela enchente de 2010, na qual muitas cidades alagoanas foram parcialmente destruídas, e diversos cidadãos perderam suas casas e alguns suas vidas.
Fig. 1: Mapa de Localização de Branquinha-AL. Fonte: Próprio autor, com arquivos shape file cedidos por IBGE.
3.1 Fitofisionomias da Área de Estudo
A fitofisionomia de Mata Atlântica predominante na área estudada é a Floresta Ombrófila Aberta, entretanto há pequenas porções de Floresta Estacional Semidecidual [8]. A seguir, serão caracterizados os subtipos encontrados na região segundo a Secretaria de Biodiversidade e Florestas/MMA (2006).
3.1.1. Floresta Ombrófila Aberta Submontana: Faciação da Floresta Ombrófila Densa, caracteriza-se por apresentar floresta aberta com palmeiras, acrescida de comunidades denominadas “florestas-de-babaçu”, com predominância do gênero Atallea [10].
3.1.2. Floresta Estacional Semidecidual Submontana e Montana: Formada por florestas caducifólias [11]. O tipo Submontana ocorre nas encostas interioranas, em contato com a Floresta Ombrófila. Gêneros predominantes são Cedrela, Parapiptadenia e Cariniana. Já, o tipo Montana, dispõem-se em poucas áreas, predominando o gênero Anadenanthera [10].
3.2. Área de Preservação Ambiental (APA) na região de Estudo
Branquinha está inserida na APA de Murici que, criada pela Lei Estadual nº 5.907 de 14 de março de 1997, objetiva proteger a biodiversidade da Mata Atlântica [13]. Esta Área de Preservação Ambiental se estende também pelos municípios de Messias, Murici, União dos Palmares, São José da Lage, Ibateguara, Joaquim Gomes, Colônia Leopoldina e Flexeiras. Por ser considerada um local de grande importância pela vasta quantidade de espécies endêmicas, a Mata Atlântica em suas extensões é protegida por lei.
De uso sustentável, a APA de Murici é utilizada para fins econômicos ou de subsistência. O IMA junto as comunidades desenvolvem trabalhos de orientação para reduzir o corte da vegetação, estabelecendo a adequação das atividades humanas. Estas ações de fiscalização em parceria com municípios e o poder público favorecem a prevenção do desflorestamento, ainda assim, cortes e queimadas estão entre os principais problemas. A Figura 2 traz a parte de Branquinha abarcada pela APA de Murici, são cerca de 38,45% da área do município.
Fig. 2: Mapa de Localização da APA de Murici em Branquinha-AL. Fonte: Próprio autor, com arquivos shapefile cedidos por IMA-AL e IBGE.
4. MATERIAIS E MÉTODOS 4.1. Softwares Utilizados
A manipulação dos dados matriciais foi realizada no Spring 5.3, software gratuito disponibilizado pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Calculou-se o NDVI por um algoritmo em linguagem LEGAL, implementado por Cavalcante (2015), e ambientado no próprio Spring. Já para edição dos layouts dos mapas optou-se pelo QGIS 2.8.3, devido a melhores resultados obtidos nesse quesito.
4.2. Imagens do Landsat 5 ™
O satélite norte-americano Landsat 5 foi lançado em março de 1984 ficando em órbita até junho de 2013, data de sua desativação. O satélite aportava dois sensores: o Multispectral Scanner (MSS), que fez registros matriciais de 1992 a 1999, voltando a operar de maneira limitada em 2012, até a desativação do satélite; e o Thematic Maper (TM), o sensor mais bem- sucedido do projeto até então, cujos registros datam desde meados do ano 1984 a novembro de 2011. Desse modo, por fornecer imagens de qualidade por um longo período de tempo, este estudo optou pelo sensor TM como fonte de dados raster, visto que tais dados são disponibilizados de maneira gratuita pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) através do site
As imagens do Sensor TM, com resoluções temporal de 16 dias e espacial de 30 metros, são compostas por 7 bandas espectrais a saber: Bandas 1, 2 e 3 dentro da faixa do visível; Banda 4 e 5 no infravermelho próximo; banda 6 no infravermelho termal; e banda 7 no infravermelho médio. Para avaliar a degradação de mata Atlântica em Branquinha utilizou-se as bandas 3 e 4 (vermelho e infravermelho próximo) no cálculo do NDVI, comparando as cenas que datam de 11 de abril de 1991 e 17 de março de 2011 referentes a órbita/ponto 214/66. Optou-se pela época do ano com menor incidência de nuvens.
4.3. NDVI
Os índices de vegetação têm por finalidade ressaltar o dossel vegetativo em imagens de sensoriamento remoto. Para tal, são realizadas operações aritméticas com as bandas espectrais que compõem estas imagens, tendo como base para os equacionamentos a assinatura ou curva espectral dos vegetais [17]. O Normalized difference Vegetation Index (NDVI) foi proposto por Rouse et al. (1973), tornando-se um dos índices de vegetação mais utilizados. O NDVI indica densidade de biomassa verde pois, de acordo com Canã (2013), está conexo com os fatores de crescimento e desenvolvimento dos vegetais. Os valores de NDVI variam de -1 a 1, onde o limite inferior sugere total ausência de vegetação sadia, enquanto que o limite superior aponta para máxima densidade de biomassa verde.
Os maiores valores de NDVI são encontrados quando a vegetação apresenta baixa reflectância na banda espectral do vermelho e maior reflectância na banda do infravermelho próximo. Entretanto, de acordo com Fonsceca et al. (2007), quando há maior reflectância na banda do vermelho, em função da degradação da clorofila, e diminuição da reflectância no infravermelho próximo devido à degeneração das membranas celulares do mesófilo durante a senescência, os valores de NDVI apresentam-se baixos.
O raster de NDVI é calculado pela diferença entre as matrizes de reflectâncias do infravermelho próximo e do vermelho, dividida pela soma dessas mesmas matrizes. Para o caso específico das imagens do Landsat 5 ™, o cálculo do NDVI foi feito com as refletâncias das bandas 3, com intervalo espectral que vai de 0,63 µm a 0,69 µm de comprimento de onda, e da banda 4 cuja faixa espectral compreende os comprimentos 0,76 µm a 0,90 µm. A Equação 1 a seguir expressa a obtenção da matriz de NDVI do Landsat 5 ™:
퐵3−퐵4 푁퐷푉퐼 = (1) 퐵3+퐵4
Onde B3 é a matriz das reflectâncias da banda 3 do sensor TM, e B4 a matriz das reflectâncias da banda 4 do mesmo sensor.
Cabe ressaltar que os números digitais (ND’s) presentes nas imagens adquiridas diretamente do INPE, devem ser convertidos em valores de radiância e reflectância, antes dos cálculos de NDVI. Assim, esta conversão é feita, num passo inicial, com base na calibração absoluta do sensor, a qual fornece parâmetros da relação linear entre os ND’s dos pixels e a radiância, termo referente a quantidade de energia que deixa uma área específica da superfície terrestre. Após estes primeiros cálculos, a matriz de radiância deve ser convertida em matriz de reflectância por meio de equacionamentos os quais levam em consideração características do sensor e do ambiente no momento da tomada das imagens.
No presente estudo, o NDVI foi calculado por meio de um algoritmo em linguagem LEGAL, rodado no próprio Spring 5.3, plataforma na qual as imagens foram inicialmente cortadas seguindo os limites do município de Branquinha. Um script em Linguagem Espacial para Geoprocessamento Algébrico (LEGAL) representa um conjunto de sequências lógicas que irão determinar ações as quais atuarão sobre os dados geoespacias. A LEGAL é estruturada seguindo quatro princípios básicos: declaração, instanciação, operação e comandos de controle.
O script utilizado nesta pesquisa (Figura 3), implementado por Cavalcante (2015), segue a estrutura da LEGAL. Como pode ser visto nas linhas 3 a 7 todas as variáveis necessárias à execução do cálculo do NDVI foram declaradas, desde as variáveis que já existem no banco de dados, até as que serão geradas após a álgebra de mapas. Nas linhas 10 a 13 inicia-se o processo de instanciação, nota-se que para as variáveis já existentes utiliza-se a palavra reservada ‘Recupere” e para as demais “Novo”. Das linhas 16 a 24 iniciam-se as operações com os cálculos aritméticos aplicados aos dados raster de entrada.
Fig. 3: Script em Linguagem LEGAL para cálculo de NDVI em Imagens do Lansat 5™.
3.4 Determinação de Remanescentes de Mata Atlântica em Branquinha
As áreas de mata no município estudado foram determinadas com base em um valor mínimo de NDVI. Tal limiar foi estipulado calculando-se o NDVI para três regiões amostrais dentro do próprio município na imagem de 1991, escolhidas por serem uniformemente vegetadas. Diante disso, inicialmente gerou-se arquivos vetoriais que delimitassem as amostras, para então, em seguida, realizar recortes nas bandas 3 e 4 da imagem do ano 1991. Após, com os mesmos métodos de cálculo supracitados, foram extraídas matrizes de NDVI para as três amostras. A Figura 4 a seguir mostra a localização das amostras dentro do município de Branquinha:
Fig. 4: Mapa de localização das regiões amostrais para a análise de NDVI da Mata Atlântica em Braquinha-AL. Fonte: Próprio Autor. Com base nas estatísticas descritivas das matrizes de NDVI das amostras, geradas pelo próprio software Spring 5.3, observou-se que os valores de média, mediana e moda apresentavam-se relativamente altos, sendo que a utilização de algum desses parâmetros poderia levar a desconsideração de várias áreas de mata Atlântica em Branquinha. Desse modo, como a busca era por um limiar mínimo de NDVI, optou-se pelas médias dos quartis inferiores das três amostras, chegando ao valor de 0,67, ou seja, qualquer região que apresentasse NDVI acima disso, seria considerado como Mata Atlântica. Na tabela 1 podem ser encontrados os parâmetros estatísticos do NDVI nas três amostras: Quartil Quartil Valor Valor Quantidade de Inferior Superior Valor Médio Mediana Moda Mínimo Máximo Pixels Amostra 1 0,76 0,80 0,78 0,78 0,77 0,46 0,85 4298,00 Amostra 2 0,57 0,67 0,62 0,61 0,62 0,43 0,79 249,00 Amostra 3 0,67 0,75 0,69 0,72 0,74 0,39 0,84 608,00 Médias 0,67 0,74 0,70 0,70 0,71 0,43 0,83 1718,33
Tab. 1: Estatísticas descritivas das matrizes de NDVI das Amostras.
Após estabelecido o limiar mínimo de NDVI para a floresta Atlântica em Branquinha, os dois rasters de NDVI para os anos em estudo foram fatiados em seis classes: Valores menores que 0; valores entres 0 e 0,17; NDVI entre 0,17 e 0,34; NDVI entre 0,34 e 0,51; Valores entre 0,51 e 0,67; e valores a partir de 0,67, considerados como regiões de mata Atlântica. Associou-se cada faixa a uma cor específica, a título de representatividade no mapa, em seguida calculou-se as áreas destas classes para avaliação da dinâmica vegetativa.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
O município de Branquinha sofreu, no período de tempo estudado, considerável supressão de remanescentes de floresta Atlântica. Baseando-se em limiares mínimos de NDVI para vegetação densa, foi constatado que no ano de 1991 o município da zona da mata alagoana apresentava uma área de 3.889,67 hectares de mata atlântica, enquanto que no ano de 2011 esse valor caiu para 3.645,97 ha, resultando num déficit de 243,69 hectares. Os mapas a seguir ilustram as matrizes de NDVI para os anos estudados, tendo como ressalva o fato de que regiões com NDVI a partir de 0,67 representam remanescentes de mata Atlântica. As Figuras 5 e 6 ilustram os mapas de NDVI para os anos citados:
Fig. 5: Mapa de NDVI da imagem de 11/04/1991 do Landsat 5™.
Fig. 6: Mapa de NDVI da imagem de 17/03/2011 do Landsat 5™.
Percebe-se que os remanescentes de mata Atlântica no ano de 1991 eram bem distribuídos no município, apesar de retalhados. Os locais de baixo NDVI (valores menores que 0,34) no mapa de 1991 são pertinentes, em sua grande maioria, às nuvens e suas sombras, o que pode ter ocultado regiões de floresta na imagem. Em 2011 a mancha verde concentrou-se no leste do município, inferindo-se que houve uma contribuição positiva da APA criada em 1997, apesar da ocorrência de um grande recorte observado dentro da área de preservação.
Apesar disto não ser suficiente para superar o déficit vegetativo, é notório que em 2011 alguns remanescentes de mata se recuperaram em relação ao ano de 1991, com mais evidência dentro da Área de Preservação Ambiental. A estimativa é de que, no ano de 1991, existiam 2.615,13 hectares de mata Atlântica onde hoje se encontra a APA, já em 2011 o valor subiu para 2.955,87 ha, um percentual de 81,1% da área atual de floresta do município.
Outro fato que merece ressalva é a drástica diminuição do NDVI em algumas áreas ao longo dos 20 anos. No sudoeste da imagem, na margem leste do rio Mundaú, as manchas vermelhas são áreas urbanas, ficando em destaque um recente conjunto habitacional construído na divisa com o município de Murici, ao sul. No lado oeste de Branquinha, no mapa de 2011, as áreas de NDVI abaixo de 0,34 estão relacionadas a solo exposto, pastagem e áreas agrícolas, devido a exploração agropecuária. Dados dos censos Agropecuários do IBGE mostram que no ano de 1996 a área de Branquinha, referente as atividades agropastoris, girava em torno de 9.318 ha, enquanto que em 2006 esse valor cresceu 18,5%, fato que pode ser associado a redução do NDVI em determinados locais no município. Os locais em azul, ou seja, NDVI abaixo de 0, na maioria dos casos são corpos d’água.
5. CONCLUSÕES
a) A análise de regiões amostrais como artifício para estabelecer um limiar mínimo de NDVI para Mata Atlântica, foi satisfatório no estudo da dinâmica deste bioma em uma área de estudo limitada;
b) O NDVI das imagens do Landsat 5™ pode ser compatibilizado com áreas florestadas, a título de avaliar a degradação vegetal ao longo do tempo;
c) As ações antrópicas, como intervenções urbanísticas e atividades agropastoris, aparentemente, foram os principais causadores da redução da área de mata Atlântica no município estudado. d) A Área de Preservação Ambiental (APA) contribuiu para a recuperação e manutenção de algumas áreas remanescentes de floresta Atlântica em Branquinha-AL, em contrapartida, não impediu a supressão de mata em outros locais;
6. AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus que dá força, paciência e sabedoria. À Lucas Barbosa Cavalcante pelo conhecimento passado, sua atenção e calma. À Andressa Dayanne Celestino da Silva pela colaboração e incentivo.
7. REFERÊNCIAS
[1] SHIMABUKURO, Y.E.; NOVO, E.M.; PONZONI, F.J. Índice de vegetação e modelo linear de mistura espectral no monitoramento da região do Pantanal. Pesquisa Agropecuária Brasileira. v. 33, número especial p.1729-1737, 1998. [2] CAMPANILI, M.; SCHAFFER, W. B. (ORG). Mata Atlântica: Patrimônio nacional dos brasileiros. 2. ed. Brasília: MMA, 2010. 408 p. il. color. ; 23 cm. [3] IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Indicadores de desenvolvimento sustentável: Brasil: 2015. Rio de Janeiro: IBGE, 2015. 351p.: il (Coleção Ibgeana). [4] IBGE. Cidades. 2015. Disponível em: