Desenvolvimento de método para inferência de características físicas da água associadas às variações espectrais. Caso de Estudo: Reservatório de Itupararanga/SP

Development of a method for inferring physical characteristics of water associated with spectral variations. Case Study: Itupararanga Reservoir/SP

RESUMO

Na sociedade atual, discussões relacionadas à água potável tem ocupado um espaço importante, principalmente no meio científico, onde, através de pesquisas voltadas à disponibilidade e qualidade das águas é possível preparar diagnósticos e apontar soluções para planejadores e tomadores de decisões. Nesse contexto, o objetivo geral do trabalho foi desenvolver um método para inferência de variáveis limnológicas que indicam a qualidade da água e estejam associadas à sua característica espectral, em um reservatório de uso múltiplo e avaliar sua correlação com dados espectrais tomados “in situ” e extraídos de imagens orbitais de satélites de alta resolução espacial.

Para tanto, uma imagem multiespectral do satélite Ikonos II foi adquirida, quase simultaneamente a coleta de dados limnológicos e espectrais “in situ”, em pontos amostrados adequadamente no corpo d’água, e posicionados com GPS. Devido à heterogeneidade das condições do tempo no levantamento de campo, uma nova abordagem amostral foi necessária, que se deu pela divisão da amostra em quatro conjuntos, quais foram: conjunto 1 (céu aberto e vento fraco), conjunto 2 (céu aberto e vento de médio a forte), conjunto 3 (céu nublado e vento fraco) e conjunto 4 (céu nublado e vento de médio a forte). As análises de correlação entre todos os dados disponíveis para a pesquisa foram realizadas separadamente para os quatro conjuntos.

As curvas espectrais dos pontos pertencentes a cada conjunto foram tratadas com técnicas de remoção do contínuo e razão e diferença espectral. A imagem multiespectral Ikonos foi submetida a técnicas de processamento e análise de imagens multiespectrais, bem como a técnica de razão espectral aplicada às bandas.

Análises de correlação entre os dados coletados “in situ” (variáveis limnológicas e curvas espectrais) e a imagem multiespectral foram realizadas e para os dados correlacionados, métodos de regressão linear clássica foram aplicados à amostra, gerando modelos empíricos de inferência das variáveis limnológicas: Transparência, TSS, Turbidez e Condutividade elétrica. Finalmente, foi realizada a espacialização das variáveis Transparência da água, a partir da Profundidade de Secchi e Turbidez, cuja inferência utilizou dados extraídos das imagens multiespectrais.

Os resultados demonstraram a aplicabilidade do método proposto, uma vez que foi possível inferir e realizar a distribuição espacial a partir da imagem multiespectral para as variáveis limnológicas Transparência, para o conjunto amostral 3 e Turbidez, para o conjunto amostral 4. Esses dois modelos de inferência, assim como os demais (Log(TSS) e Log(Turbidez) para o conjunto 2; Condutividade Elétrica para o conjunto 3 e TSS para o conjunto 4) gerados nesta pesquisa, foram estatisticamente validados e aceitos pelo método adaptado “jackknife”.

Concluiu-se que o trabalho atingiu os objetivos propostos e apresentou um método de inferência das variáveis limnológicas Transparência, TSS, Turbidez e Condutividade Elétrica, relacionadas à sua qualidade e associadas à sua característica espectral, para o reservatório de Itupararanga, que pode ser utilizado em outros reservatórios, desde que observadas as características específicas do corpo d’água em questão.

Palavras Chaves: Sensoriamento Remoto da água, inferência estatística, imagens de alta resolução espacial, distribuição espacial de variáveis limnológicas, componentes opticamente ativos.

ABSTRACT

In current society, drinkable water has been the subject of innumerable debates, mainly in scientific groups, in which, through researches focused on the availability and water quality, it is possible to prepare diagnoses and point out solutions to planners and decision makers.

In this context, the general aim of the research was to develop a method for the inference of physical limnological variables that indicate the quality of the water and that are associated to its spectral characteristic, in a multiple use reservoir and evaluate its correlation to spectral data collected “in situ” and extracted from orbital images of high definition space sattelites. In order to achieve that, a multispectral image of the satellite Ikonos II was acquired, almost simultaneously to the gathering of limnological and spectral data “in situ”, in points sampled adequately in the water surveyed, and positioned by means of GPS.

Due to the heterogeneous weather conditions when taking the ground samples, a new sampling approach was necessary, and it occurred with the division of the sample in four settings, which were: setting 1 (clear sky and mildly windy), setting 2 (clear sky and windy), setting 3 (overcast sky and mildly windy) and setting 4 (overcast sky and windy).

The correlation analyses among all the available data for the research were conducted separately for the four settings. The spectral curves of points belonging to each setting were treated with the techniques of continuum removal and ratio and spectral difference. The multispectral Ikonos image was subjected to techniques of processing and analyses of multispectral images, as well as the technique of spectral ratio applied to the bands.

Correlation analyses to all data collected (limnological variables and spectral curves) and the multispectral image were applied and for the correlated data, methods of classical linear regression were applied to the sample, generating empirical models of inference of the limnological variables: Transparence, Secchi Depth, TSS, Turbity and Electrical Conductivity.

At last, the spatial distribution was conducted to the variables Transparence of the water, from Secchi Depth and Turbity , which inference used data extracted from multispectral images. The results demonstrated the applicability of the proposed method, once it was possible to infer and conduct the spatial distribution from the multispectral image for the limnological variables Transparence, for the sample setting 3 and Turbity, for the sample setting 4.

The two inference models, as well as the others (Log(TSS) and Log(Turbity) for setting 2; Electrical Conductivity for setting 3 and TSS for setting 4) generated in this research, were statistically evaluated and accepted by the adapted method “jackknife”. The objectives were reached and the research presented an analytical method for limnological variables (Transparence, TSS, Turbity and Electrical Conductivity) related to its spectral characteristic and quality water of Itupararanga reservoir, which can be used in other reservoirs, as long as specific characteristics are observed.

Keywords: Remote Sensing of water, statistical inference, spatial high resolution images, spatial distribution of limnological variables, optically active components

INTRODUÇÃO

“A água é muito mais do que um recurso natural. Ela é uma parte integral do nosso planeta. Está presente há bilhões de anos, e é parte da dinâmica funcional da natureza” (E. C. PIELOU, 1998).

Desde as últimas décadas do século XX até os dias atuais, as questões relativas à contaminação dos recursos hídricos e à sua escassez têm ocupado papel de destaque em fóruns de discussão envolvendo comunidades regionais, nacionais e internacionais. Especialistas traçaram um quadro alarmante para um futuro próximo em relação à escassez de água potável no planeta. Segundo a Agência Nacional de Águas (ANA), até 2015 a água deixará de ser uma “dádiva divina” para se tornar uma mercadoria valiosa.

Em 2003, considerado o Ano Internacional da Água, os Estados-membros das Nações Unidas estabeleceram, entre os Objetivos de Desenvolvimento do Milênio, que até 2015 se deveria “reduzir pela metade a proporção de pessoas que não têm acesso à água potável de qualidade”. Na reunião de Joanesburgo, também em 2003, concordaram que, até essa data, “deverá ser reduzida à metade a proporção de pessoas sem acesso ao saneamento básico” (TUNDISI, 2003).

Essas discussões evidenciam o grau de degradação por que vem passando o globo terrestre nas últimas décadas e apresentam questões a serem investigadas para melhor planejamento de ações relacionadas à qualidade e à quantidade de água. Assim, pesquisas científicas voltadas à disponibilidade e à qualidade da água mostram-se fundamentais na atualidade, preparando diagnósticos e apontando soluções para tomadores de decisão.

Para Tundisi (2003), a história da água no planeta Terra é complexa e está diretamente relacionada ao crescimento da população humana, ao grau de urbanização e aos usos múltiplos que afetam sua quantidade e qualidade, além de estar relacionada à saúde, pois muitas doenças que afetam a espécie humana têm veiculação hídrica ou se desenvolvem na água.

Na natureza, segundo Odum (2008), podem ser encontrados dois tipos de ambientes aquáticos, categorizados quanto à velocidade da água e à vazão: ambientes lênticos (“calmos”), como lagos e lagoas, e ambientes lóticos (“correntes”), caracterizados por fontes, riachos e rios. Os reservatórios são definidos como ambientes intermediários entre rios e lagos, nos quais se observa um contínuo de características limnológicas no sentido rio-barragem (PAGIORO, 1999). O movimento e a mistura de matéria dissolvida e particulada resultam de uma grande quantidade de mecanismos físicos complexos e interdependentes.

Projetados, em geral, para gerar energia elétrica, os reservatórios têm sido utilizados para inúmeras outras finalidades, incluindo lazer, captação de água, navegação e irrigação, entre outras. Um uso pouco nobre — e cada vez mais frequente — tem sido o de depositário de rejeitos, recebendo tanto esgotos domésticos, que contribuem com elevadas cargas orgânicas, quanto efluentes industriais, que introduzem compostos sintéticos, metais pesados e plásticos (LIBOS, 2002). Nesse sentido, a qualidade da água é alterada e seu consumo é afetado, o que gera a necessidade de tratamento. As atividades agrícolas no entorno das bacias hidrográficas também contribuem para a alteração da qualidade da água devido ao uso excessivo de pesticidas e fertilizantes, carreados para os rios.

Pereira Filho (2000) considera que os fenômenos presentes na bacia hidrográfica são registrados, em parte, pela água, tornando desafiadora a identificação das relações entre os sistemas aquáticos e terrestres. Segundo o autor, as variáveis limnológicas relacionam-se fortemente com variáveis da superfície terrestre, tais como relevo, vegetação, geologia e impactos antrópicos.

Partindo do pressuposto de que a qualidade da água está fortemente condicionada à ocupação antrópica no entorno dos corpos d’água — especificamente à poluição lançada nos mesmos, à erosão urbana e agrícola e à sedimentação que ocorre nas margens e nas áreas de ingresso de tributários nos reservatórios, entre outros —, é evidente a necessidade de avaliar esses condicionantes antes de se pensar em manejo integrado do corpo d’água. Sabendo-se que, nos reservatórios, as características de qualidade da água ocorrem de modo complexo e interdependente ao longo de sua extensão, observa-se que o número de amostras levantadas em pesquisas limnológicas tradicionais, muitas vezes, não é suficiente para uma análise estatística robusta das correlações entre essas variáveis.

Além disso, muitos trabalhos, ao enfatizarem a dinâmica do ambiente, subestimam a variabilidade espacial. Por outro lado, órgãos oficiais responsáveis pela qualidade da água de rios e bacias hidrográficas, que deveriam realizar análises minuciosas, em geral monitoram poucos pontos. É o caso da CETESB — Companhia Ambiental do Estado de São Paulo —, que monitora apenas dois pontos amostrais no Reservatório de Itupararanga (SP), área de estudo desta pesquisa, cujo canal principal apresenta extensão de 26 km e margens de 192,88 km.

Portanto, pretendeu-se, nesta pesquisa, apresentar um esquema de amostragem de parâmetros de qualidade da água que contemplasse número suficiente de estações amostrais e garantisse, ao mesmo tempo, sua representatividade espacial, baseado na variabilidade espectral do corpo d’água. Para isso, realizaram-se análises temporais de imagens multiespectrais tomadas em quatro datas distintas.

A área de estudo para aplicação da proposta foi o Reservatório de Itupararanga (SP), pertencente à bacia hidrográfica do rio Sorocaba, por ser um dos maiores mananciais de água potável da região de Sorocaba, abastecendo os municípios de Sorocaba, Votorantim, Mairinque, Alumínio, Ibiúna e São Roque — um total de aproximadamente 800.000 habitantes —, e ser considerado de boa qualidade da água. Além disso, esse reservatório é uma das áreas de estudo de pesquisadores da Faculdade de Ciências Agronômicas da Unesp, que deram suporte técnico e apoio científico à pesquisa e ao levantamento de campo.

No levantamento de campo, obtiveram-se amostras de variáveis limnológicas — Sólidos em Suspensão (TSS), Turbidez, Condutividade Elétrica e Transparência — e dados espectrais da camada superficial da água, com a utilização do espectrorradiômetro FieldSpec UV/VNIR (Analytical Spectral Devices, Inc.), de propriedade do INPE — Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais — e disponibilizado para uso nesta pesquisa.

Foi realizada uma avaliação da correlação entre esses dados (variáveis limnológicas e curvas espectrais) tomados “in situ”. Este trabalho foi viabilizado porque a pesquisa de doutorado em questão integra o Projeto PROCAD, que envolve três instituições de pesquisa: FCT — Faculdade de Ciências e Tecnologia da Unesp, em Presidente Prudente; UFSM — Universidade Federal de Santa Maria, em Santa Maria (RS); e INPE — Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, em São José dos Campos (SP) —, prevendo intercâmbios entre pesquisadores de pós-graduação, realização de pesquisas e trabalhos de campo, além da publicação conjunta de trabalhos científicos.

A partir da aquisição quase simultânea de uma imagem multiespectral de alta resolução espacial do satélite Ikonos II da área de estudo — após submetida a técnicas de processamento e análise de imagens —, realizou-se uma análise de correlação entre essa imagem e os dados coletados “in situ” (variáveis limnológicas e curvas espectrais). Para os dados correlacionados, aplicaram-se métodos de regressão linear clássica à amostra, gerando modelos empíricos de inferência das variáveis limnológicas TSS, Turbidez e Condutividade Elétrica. O mapeamento dessas variáveis, cuja inferência utilizou dados extraídos da imagem multiespectral, foi então realizado, gerando um produto de fácil leitura e uso por especialistas em ambientes aquáticos na aplicação do planejamento e do controle da qualidade da água.

1.1 Objetivos

O objetivo geral desta pesquisa é desenvolver um método de inferência de variáveis limnológicas físicas, com base em suas propriedades ópticas, para o Reservatório de Itupararanga (SP). Para tanto, foram delineados os seguintes objetivos específicos:

• Definir um esquema de amostragem que considere número adequado de elementos amostrais, de modo a viabilizar a otimização do levantamento de campo e garantir, ao mesmo tempo, a representatividade espacial dos dados limnológicos coletados;

• Avaliar a correlação entre variáveis limnológicas (Sólidos em Suspensão – TSS, Turbidez, Condutividade Elétrica e Transparência) e dados espectrais medidos “in situ” nos pontos definidos pelo esquema de amostragem, devidamente posicionados com receptores GPS;

• Realizar análise de correlação entre os dados coletados “in situ” (variáveis limnológicas e curvas espectrais) e imagem multiespectral de alta resolução espacial e radiométrica do satélite Ikonos II da área de estudo, tomada quase simultaneamente ao levantamento de campo;

• Aplicar métodos de regressão linear clássica a fim de gerar modelos empíricos de inferência das variáveis limnológicas que apresentarem correlação com os dados espectrais e com os dados extraídos da imagem multiespectral;
• Realizar a distribuição espacial das variáveis limnológicas cuja inferência foi possibilitada pelos dados extraídos da imagem multiespectral.

1.2 Apresentação do trabalho

O trabalho subdivide-se em oito capítulos: a Introdução e os objetivos; a Fundamentação Teórica, que inclui dois capítulos — “O estado da arte: Sensoriamento Remoto e Qualidade da Água” e “Sensoriamento Remoto de Ambientes Aquáticos”; o Estudo de Caso; o Material e Método; o Desenvolvimento Experimental e Análises; os Resultados e Análises Obtidos e, por fim, as Conclusões e Recomendações para trabalhos futuros.

Na Introdução, descrevem-se a pesquisa, os objetivos e a estrutura do trabalho. A Fundamentação Teórica apresenta uma análise do estado da arte em sensoriamento remoto e qualidade da água, discutindo alguns dos principais trabalhos científicos publicados na atualidade sobre o tema, além de apresentar conceitos e técnicas de sensoriamento remoto de ambientes aquáticos. O capítulo 4, Estudo de Caso, apresenta a área de aplicação do método proposto; o capítulo 5, Material e Método, descreve o material utilizado e o método adotado.

No capítulo 6, Desenvolvimento Experimental e Análises, descrevem-se desde a etapa de planejamento do levantamento de dados em campo e o levantamento propriamente dito até a aquisição da imagem multiespectral de alta resolução espacial. As análises de correlação realizadas entre os dados são apresentadas no capítulo 7. Os modelos empíricos de inferência para as variáveis limnológicas correlacionadas são apresentados e discutidos no capítulo 8. O capítulo 9 descreve as Conclusões e as Recomendações para trabalhos futuros.