Uso de imagens multitemporais do IVDN para a análise da dinâmica de uso agrícola da terra utilizando gvSIG, município de Derrubadas, RS
Antonio Carlos Leite de Borba: Engenheiro Florestal, Msc. Sensoriamento Remoto e Meteorologia, Técnico Científico da EMATER/RS-ASCAR;
Volnei Marin Righi: Engenheiro Agrônomo, Assistente Técnico de Geoprocessamento da EMATER/RS-ASCAR, Regional Ijuí;
Fábio André Eickhoff: Engenheiro Agrônomo, Extensionista Rural da EMATER/RS-ASCAR, Escritório Municipal de Derrubadas.
Introdução
A previsão de safra e de áreas de plantio de culturas utilizando ferramentas como os sistemas de informação geográfica (SIG) e imagens de sensoriamento remoto apresentam um histórico de desenvolvimento no Brasil de aproximadamente três (3) décadas.
Inicialmente com a cultura da cana-de-açucar na safra 1979/80 (MENDONÇA, et al., 1981 apud RUDORFF & MOREIRA, 2002), onde o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) através da interpretação visual de imagens do sistema Landsat MSS gerou estimativas de área plantada para o Estado de São Paulo.
Em seguida para a cultura do arroz irrigado o Instituto Riograndense do Arroz (IRGA) através de convênio firmado com o INPE em 1980, iniciaram estudos de previsão de áreas para essa cultura, também utilizando imagens do sistema Landsat MSS abrangendo os principais municípios produtores no RS segundo RUDORFF & MOREIRA, 2002.
Na última década podemos citar o trabalho da Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB) junto ao Centro Estadual de Pesquisas em Sensoriamento Remoto e Meteorologia (CEPSRM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) na previsão de safra e de área de efetivo plantio de soja na maior região produtora da leguminosa no Rio Grande do Sul entre 1998 e 1999, cujo trabalho foi estendido para uma área compreendendo cerca de 50 % da área cultivada de soja no Brasil a partir da safra 1999/2000 (FONTANA et. al., 2000).
A EMATER/RS-ASCAR, empresa de assistência técnica e extensão rural oficial do Estado do Rio Grande do Sul, que presta serviços nestas áreas para a Secretaria Estadual da Agricultura, Pecuária e Agronegócio (SEAPA/RS), desenvolve o levantamento da área plantada em cada safra agrícola através de entrevistas com entidades representativas da cadeia produtiva, como cooperativas, sindicatos de trabalhadores rurais e agricultores.
Neste trabalho estamos propondo o mapeamento da dinâmica de uso agrícola das terras na safra 2010/2011 no município de Derrubadas, RS, utilizando imagens de sensoriamento remoto e SIG, com ênfase para a análise da dinâmica de sucessão de lavouras de inverno e verão e a diferenciação das áreas plantadas com soja e milho utilizando imagens do satélite Landsat 5 TM e SIG.
Deve-se destacar o problema da disponibilidade de imagens livre de nuvens, com vistas a permitir a avaliação da evolução das culturas anuais, necessitando de uma série temporal em um curto período de tempo desde a semeadura, desenvolvimento, maturação, senescência e colheita das culturas.
O objetivo específico deste trabalho é avaliar a utilização de uma composição colorida multitemporal do Índice de Vegetação da Diferença Normalizada (IVDN) para avaliar a dinâmica de uso agrícola das terras e a diferenciação das lavouras de soja e milho no município de Derrubadas no Rio Grande do Sul, para a safra 2010/11, utilizando o software livre gvSIG 1.9.
Área de Estudo
A área de estudo se localiza na região fisiográfica do Alto Uruguai do Rio Grande do Sul, no município de Derrubadas. Esta região se caracteriza por apresentar duas paisagens distintas e que condicionam dois modos de agricultura. A paisagem de encosta e margem do Rio Uruguai, caracterizada por pequenas propriedades e agricultura familiar, altamente diversificada. E a paisagem de planalto, com propriedades maiores e agricultura com foco nas commodities e maior especialização (2 ou 3 produtos, soja, milho e trigo).
O município de Derrubadas apresenta uma população de 3.190 habitantes segundo o IBGE, ocupando uma área de 361 Km² localizada na área do bioma Mata Atlântica (IBGE, 2011). Na Figura 1 apresentamos o mapa de localização do município de Derrubadas.
As áreas destinadas a lavouras temporárias somam 9.200 hectares perfazendo um total de 879 propriedades rurais (IBGE, 2011). No ano de 2007 a área plantada com a cultura do milho era de 1.900 hectares e a cultura da soja apresentava 8.800 hectares (IBGE, 2011).
Os solos predominantes no município são derivados do basalto, principalmente Latossolo Vermelho Distrófico e Nitossolo Vermelho, ambos com boa aptidão agrícola, nas áreas de planalto com relevo ondulado a suave ondulado. Nas áreas de encosta ocorrem solos da associação Neossolo Regolítico Eutrófico, Chernossolo Argilúvico e Cambissolo Háplico Eutrófico e ainda nas áreas marginais do Rio Uruguai Luvissolo Háplico (EMBRAPA, 2006).
Segundo a classificação climática de Köeppen a região apresenta clima do tipo “Cfa” mesotérmico úmido, caracterizando-se por apresentar a temperatura média do mês mais quente superior a 22°C e a temperatura média do mês mais frio superior a 3°C, com chuvas bem distribuídas durante todos os meses do ano. A precipitação média anual é de 1800 mm, havendo a ocorrência de geadas no inverno (MORENO 1961).
O sistema de produção se baseia na rotação de culturas com cereais como trigo (Triticum aestivum L.) e pastagens de inverno como aveia (Avena sativa L.) e azevém (Lolium perenne L.), para a bovinocultura de leite, e no verão o cultivo de soja e milho principalmente, através do sistema de plantio direto sobre a palha nas áreas.
Na Figura 2 a seguir, recorte da imagem do município de Derrubadas no Rio Grande do Sul, a grande área contínua em tom marrom é o parque Estadual do Turvo, maior área florestal contínua do estado do RS.
Materiais e métodos
Para melhor entender a metodologia utilizada para análise da dinâmica de uso agrícola das terras através de imagens multitemporais do IVDN, no município de Derrubadas, RS, dividimos esta seção em três etapas: Seleção das imagens Landsat 7 ETM + e Landsat 5 TM; Montagem do projeto no gvSIG, registro das imagens e processamento digital e interpretação das imagens.
Seleção das imagens
Inicialmente realizamos a coleta das imagens do sistema Landsat 7 ETM + órbita ponto 223/079 com data de passagem do satélite de 15 de março de 2002, utilizada como base para a referência espacial. Obtida junto ao Global Land Cover Facility, que disponibiliza imagens ortorretificadas do sistema Landsat (GLCF, 2011). Estas imagens serviram de base para o registro das imagens atuais da região de estudo.
A aquisição das imagens do satélite Landsat 5 TM no Catálogo de Imagens do INPE (INPE, 2011) ocorreu diretamente no site permitindo uma cobertura ao das principais fases de desenvolvimento das culturas de soja e milho, e parte da cultura do trigo e pastagens plantadas de inverno.
Com a finalidade de avaliar as datas possíveis para a aquisição das imagens Landsat 5 TM foi considerado o Zoneamento Agrícola do Ministério da Agricultura e Abastecimento (MAPA, 2010) e o histórico de plantio das culturas de milho e soja para a região.
Para o município de Derrubadas, de acordo o Zoneamento Agrícola o início do período para plantio da cultura do milho ocorre a partir do 2° descêndio do mês de agosto até o 2° descêndio do mês de janeiro, para as diferentes cultivares e tipos de solos.
Entretanto, do histórico regional se observa que entre os meses de agosto a outubro ocorre a semeadura de grande parte das lavouras de milho na região do Alto Uruguai.
Para a cultura da soja o Zoneamento Agrícola estabelece uma amplitude de épocas para plantio a partir do 1° descêndio do mês de outubro até o 3° descêndio de dezembro.
No entanto, o histórico mostra que a maior parte das lavouras são semeadas em novembro e início de dezembro, dependendo das condições climáticas e das cultivares plantadas.
Para discriminar as culturas de milho e soja através do método proposto e avaliar a dinâmica de uso agrícola da terra, foram selecionadas imagens com datas de passagem do satélite que cobrissem as diferentes fases de desenvolvimento vegetativo e reprodutivo das culturas de verão, soja e milho.
Através da seleção de três imagens do satélite Landsat 5 TM correspondentes às datas de 20 de agosto de 2010 (data 1), 08 de novembro de 2010 (data 2) e 27 de janeiro de 2011 (data 3), identificadas pela órbita ponto 223/029 de acordo a grade Landsat TM.
Montagem do projeto e registro das imagens
De posse das imagens Landsat 7 ETM +, utilizada como referência cartográfica, e as imagens do satélite Landsat 5 TM das três datas, foi criado um projeto no software gvSIG 1.9.
Procedendo-se primeiro a carga da imagem do Landsat 7 ETM + no formato Geotiff, usando o sistema de coordenadas Universal Transversa de Mercator (UTM), datum horizontal WGS84, para a zona 22 Sul, ou código EPSG 32722.
Logo as imagens do sistema Landsat 5 TM foram registradas com base na imagem do Landsat 7, coletando-se 15, 12 e 17 pontos de controle, respectivamente, para as imagens correspondentes as datas de 20/08/10, 08/11/10 e 27/01/11, com Erros Médios Quadráticos (EMQ) de 0.788, 0.775 e 0.879, respectivamente.
Foram importadas todas as bandas disponíveis do satélite Landsat 5 TM, exceto as imagens da banda 6. Sendo processadas o registro para cada uma das bandas e posteriormente utilizadas somente as bandas 3 e 4 de cada imagem para processamento do IVDN.
Processamento e interpretação visual das imagens
Com o projeto no gvSIG formado, contendo as imagens de três datas da área de estudo do sistema Landsat 5 TM, além da imagem de referência do Landsat 7 ETM +, foi realizado o processamento do índice de vegetação.
O IVDN considera o comportamento espectral da vegetação nas faixas do vermelho (TM3) e do infravermelho (TM4) do espectro eletromagnético (EEM) para a determinação do vigor da vegetação (ROUSE et. al., 1974). Através da razão entre a diferença e a soma das imagens no infravermelho próximo e no vermelho, resultam numa imagem onde as tonalidades mais claras (números digitais mais elevados, próximos a 255 em imagens de 8 bit) denotam uma maior densidade de biomassa verde e maior área foliar na vegetação e as áreas mais escuras (números digitais mais baixos, próximos a 0) mostram áreas sem vegetação ou com menor densidade de biomassa verde e área foliar.
Na fórmula abaixo podemos visualizar a equação de cálculo do IVDN para o sistema Landsat 5 TM:
Para cada imagem nas diferentes datas, correspondentes a diferentes estágios das culturas, foram gerados os IVDN1 (20/08/10), IVDN2 (08/11/10) e IVDN3 (27/01/11).
Para o processamento dos índices de vegetação foi utilizada o software Sextante em Vegetation Indices de forma a obter a imagem do IVDN.
Em seguida, foi aplicado um realce de contraste nas imagens de IVDN correspondentes às diferentes datas de imageamento e empregadas na elaboração da composição colorida.
A imagem IVDN1, da imagem obtida em 20/08/2010 associada a cor Azul (Blue), IVDN2 obtida em 08/11/2010 associada a cor Verde (Green), e IVDN3 obtida em 27/01/2011 associada a cor Vermelha (Red), para o município de Derrubadas como apresentado na Figura 3.
A partir da composição colorida IVDN multitemporal foi realizada a interpretação da imagem buscando correlacionar as cores resultantes da composição com os estádios de desenvolvimento das culturas de milho e soja, e trigo e pastagem de inverno, ao longo das três datas de coleta das imagens.
Resultados
Interpretação do comportamento das culturas e dinâmica de uso da terra na composição multitemporal do IVDN
Para o entendimento dos resultados da fotointerpretação da composição multitemporal do IVDN deve-se identificar o comportamento das culturas de interesse nos índices de vegetação em cada data de obtenção da imagem estudada.
Dessa forma através da observação in loco pelos técnicos da EMATER/RS das atividades de manejo, desde a semeadura, tratos culturais, até a colheita, observamos que as áreas com os menores valores digitais representam os corpos d’água, as áreas urbanizadas e as áreas de solo exposto para todas as imagens de índices de vegetação, IVDN1, IVDN2 e IVDN3.
Para a imagem do IVDN1, data de 20/08/2010, as áreas apresentando o solo exposto representam as áreas onde ocorre a semeadura do milho, considerando o Zoneamento Agrícola e o histórico de implantação da cultura na região.
As áreas com valores digitais mais elevados mostram áreas onde as culturas de inverno, como trigo e pastagens de inverno, estão na fase reprodutiva. Também as áreas de vegetação perene, como áreas de fruticultura, reflorestamento, áreas de pastagens perenes (“potreiros”), e matas nativas, apresentam valores digitais intermediários e aparecem com tons médios no IVDN1, mostrando o momento de retomada do crescimento após período de estacionalidade, onde o crescimento se reduziu ou mesmo cessou.
A Figura 4 mostra em detalhe a imagem do IVDN1, correspondente a data de 20/08/2010.
A imagem do IVDN2 corresponde à data de 08/11/2010 e apresenta as áreas com tonalidades claras e médias correspondendo às áreas de milho estabelecidas e em desenvolvimento vegetativo, além das áreas com vegetação perene, como as florestais nativas, reflorestamento, fruticultura e as áreas de potreiros (pastagens perenes).
As áreas com tonalidade variando de clara a média correspondem a diferentes estádios de desenvolvimento da cultura do milho.
As áreas com tonalidade escura, na imagem do IVDN2, correspondem às áreas onde o solo está sendo preparado para a semeadura da soja.
A Figura 5 mostra em detalhe a imagem do IVDN2, correspondente a data de 08/11/10.
A imagem do IVDN3 corresponde à data de 27/01/2011 na qual as áreas claras apresentam as lavouras de soja em estádio reprodutivo, na fase de enchimento de grão, apresentando maior verdor e também as áreas de vegetação perene florestal, frutíferas e potreiros.
A tonalidade escura nesta imagem indica as áreas onde já se inicia a colheita do milho.
A Figura 6 mostra em detalhe a imagem do IVDN3, correspondente a data de 27/01/2011.
A imagem colorida associando às imagens IVDN1 a cor azul (B), a IVDN2 a cor verde (G) e a IVDN3 a cor vermelha (R), possibilita a distinção visual entre as culturas e indica a dinâmica das culturas de inverno e verão, relacionada às tonalidades formadas na composição colorida multitemporal dos índices de vegetação.
Dessa forma as áreas que aparecem em tonalidades de vermelho, até o magenta, são áreas de lavouras de soja, visto que a imagem de 27/01/2011 apresenta a soja no máximo de vigor vegetal. Dessa forma o índice de vegetação gerado para esta data e associado à cor vermelha (R) na composição colorida multitemporal, evidencia as áreas dessa cultura.
As áreas na cor vermelha mostram que a dinâmica de sucessão de lavouras nessa área foi de pousio, ou já dessecada (área sem cobertura vegetativa), e em seguida soja. Na imagem IVDN1 de 20/08/2010, estas áreas apresentam uma aparência de tonalidade escura, sem resposta de vegetação “sadia”.
As áreas na cor magenta (maior parte da imagem) mostram uma dinâmica de sucessão da lavoura de inverno, seja trigo ou pastagem (aveia, azevém), para soja. Nestas áreas a cultura de inverno na imagem do IVDN1 apresenta-se nos estádios de florescimento e maturação, em enchimento do grão, evidenciando sucessão pela lavoura de soja, com a imagem IVDN2 mostrando tonalidade escura devido a semeadura da soja e a imagem IVDN3 com intensa atividade de enchimento de grão dessa cultura.
Já as áreas em tons de verde evidenciam as áreas de lavouras de milho, caracterizadas pelo aspecto de solo exposto, durante a semeadura do milho, na imagem IVDN1, a cultura estabelecida na época do IVDN2, com as plantas em pleno desenvolvimento reprodutivo, e a cultura em fase de senescência e desidratação de grãos, pré-colheita ou colheita na imagem IVDN3.
As áreas com floresta nativa, apresentam tonalidades verde claro a amarelo, evidenciando a estacionalidade da formação florestal, com uma estação de repouso (inverno) e uma estação de crescimento (verão).
Já as áreas de silvicultura mostram um comportamento de estagnação no crescimento que pode ser observado pela tonalidade verde muito claro passando para o cinza, sugerindo que a população necessita de desbaste, para retomar o desenvolvimento vegetativo, ou o corte raso por encontrar-se em final de ciclo de desenvolvimento.
A Figura 7 mostra em detalhe a imagem colorida multitemporal do IVDN, correspondente as três datas de imageamento.
Dessa forma podemos interpretar da seguinte forma a imagem colorida com os índices de vegetação das três datas:
Tabela 1 – Grade interpretativa da dinâmica de sucessão agrícola das áreas com base nas tonalidades da imagem colorida multitemporal do IVDN
Conclusões
A imagem em falsa cor multitemporal obtida das imagens do IVDN para as datas de início da janela de plantio do milho (agosto e setembro principalmente), a época de finalização da colheita das culturas de inverno e plantio da soja (outubro e novembro) e início da colheita da cultura do milho e pleno desenvolvimento da soja (janeiro a março), apresenta grande potencial para uso na discriminação das principais culturas de verão do Estado do Rio Grande do Sul, e apresenta uma possibilidade de avaliação da dinâmica de uso agrícola das terras.
A estratégia possibilita que seja observada a distribuição espacial e quantificação das áreas das culturas de milho e soja, permitindo-se avaliar as áreas onde houve a substituição da cultura de inverno (trigo,aveia e azevém) pela cultura de verão (soja), observando-se a dinâmica de uso agrícola das terras.
Apesar de milho e soja serem culturas de verão no sul do Brasil, especialmente no Rio Grande do Sul, a estratégia de obterem-se imagens em três datas diferentes, durante uma mesma safra, coincidindo com as fases de semeadura do milho, da soja, e colheita do milho, tornou possível a discriminação entre estas duas culturas de verão.
É importante ressaltar que a estratégia de estimativa de áreas e safras agrícolas através de imagens de sensores remotos apresenta a limitação, no caso de sensores óticos, de depender das condições atmosféricas para a época de passagem do satélite, sendo que para este trabalho as condições foram muito boas com imagens de excelente qualidade quanto à cobertura de nuvens.
Portanto a metodologia apresentada demonstrou uma boa aplicabilidade para a discriminação das culturas de milho e soja usando imagens do sistema Landsat TM 5 gratuitamente distribuídas pelo INPE no Brasil, utilizando para o processamento das informações o software livre gvSIG.
A avaliação realizada neste trabalho através da observação visual das imagens, mostrou que para aprimorar as estimativas de áreas plantadas com estas culturas, assim como compreender a dinâmica de rotação ou substituição das culturas, podem ser utilizados recursos gratuitos de sensoriamento remoto, assim como de software livre.
Faz-se, entretanto, necessário complementar a análise através de um método quantitativo, como uma classificação espectral e confrontar o resultado com as verificações de campo (verdade terrestre) para a validação da metodologia proposta. Este trabalho está em curso no Núcleo de Gestão de Programas da Gerência Técnica, Gerências Regionais e Escritórios Municipais da EMATER do Rio Grande do Sul.
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