15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental
Comparação da temperatura de brilho de superfície do período seco
com o chuvoso no Distrito Federal calculada a partir de imagens do
Landsat 8.
Eleudo Esteves de Araújo Silva Junior 1; Newton Moreira de Souza 2
Resumo – Com o lançamento do oitavo satélite da série Landsat contendo a bordo dois
sensores, o OLI (Operational Land Imager) e o TIRS (Termal InfraRed Sensor) para os quais
foram disponibilizadas as equações de calibração bem como seus parâmetros, ficou mais
acessível o cálculo de índices radiométricos de forma padronizada. A temperatura de brilho da
superfície terrestre, um dos atributos que podem ser avaliados no mapeamento geotécnico, pode
ser calculada com dados das duas bandas térmicas do TIRS. Este trabalho objetivou verificar se
os resultados dos valores obtidos com essas duas bandas apresentavam diferenças e nesse caso
qual o valor dessa diferença e se elas obedecem a um padrão. Complementarmente avaliou-se a
relação da temperatura com a cobertura do solo e a diferença obtida na análise de dois períodos
climáticos distintos: seco e chuvoso. Os valores de temperatura calculados com as bandas
térmicas do sensor TIRS a bordo do Landsat 8 apresentam pequena diferença nos seus
resultados, sendo as temperaturas calculadas com a banda 10 maiores que as calculadas com a
banda 11. Em relação aos resultados obtidos com as imagens dos dois períodos climáticos
citados, as temperaturas do final do período seco são maiores cerca de 11° C do que as do final
do período chuvoso. Quanto às coberturas, foi observada uma boa relação entre as formas de
cobertura do solo e as temperaturas calculadas com ambas as bandas.
Abstract – With the release of the eighth satellite of the Landsat series containing two sensors on
board, the OLI (Operational Land Imager) and the TIRS (Thermal InfraRed Sensor) for which and
the calibration equations were available as its parameters, was more accessible calculation
radiometric indexes in a standardized manner. The brightness temperature of the Earth's surface,
one of the attributes that can be evaluated in geotechnical mapping, can be calculated with data
from the two thermal bands of the TIRS. This study aimed to verify that the results of the values
obtained with these two bands had differences and if so what value this difference and if they
follow a pattern. In addition it evaluated the relationship of temperature with the ground cover and
the difference obtained in the analysis of two distinct climatic periods: dry and rainy. The
temperature values calculated with the thermal bands of the TIRS sensor onboard Landsat 8 show
little difference in their results, and the temperatures calculated with the band 10 larger than those
calculated with the band 11. In relation to the results obtained with the images of cited two climatic
periods, the dry spell the end temperatures are higher than the end of the rainy season. With
regard to the coverage, a good relationship between the soil cover forms and temperatures
calculated with both bands was observed.
Palavras-Chave – Landsat 8; Temperatura de brilho; Distrito Federal.
1
Prof. MSc Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília. Doutorando do Programa de Pósgraduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. E-mail: [email protected]
2
Prof. Dr. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília, Programa de Pós-graduação em
Geotecnia. E-mail: [email protected]
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1
1. INTRODUÇÃO
Segundo Zuquette & Gandolfi (2004) existem mapas e cartas que retratam dados e informações
sobre o meio físico, tais como geológicos e pedológicos. A elaboração desses documentos
baseia-se em procedimentos específicos que resultam no mapeamento geotécnico de forma a
apresentar dados e informações para os profissionais da Geotecnia auxiliando na tomada de
decisões desde a implantação de obras civis até o planejamento urbano e a gestão ambiental.
A temperatura de brilho da superfície do solo é um desses dados ou atributos que podem
ser identificados, caracterizados e classificados na Cartografia Geotécnica. A depender da
cobertura do solo, essa temperatura pode servir de indicador das condições sócio ambientais
relacionadas, inclusive, com a degradação do solo decorrentes das diversas formas de
apropriação do meio físico.
As diversas formas de uso antrópico do meio ambiente são determinantes dos valores de
absorção e emissão de radiância na superfície terrestre. A temperatura de brilho corresponde à
temperatura obtida pela radiância emitida pela superfície terrestre, no caso do Landsat 8 medida
entre 10h e 10h30.
De acordo com Santos (1993) as áreas urbanas podem ser consideradas como um meio
ambiente construído, resultado da diversidade de classes, níveis de renda, acesso a serviços
essenciais, infraestrutura e elementos morfológicos do espaço urbano. Nesse aspecto, a
paisagem configura-se como um conjunto heterogêneo e a dinâmica dos fenômenos térmicos
urbanos é resultado das diferentes formas de apropriação, uso e cobertura do meio físico
geológico.
A série de satélites Landsat (Land Remote Sensing Satellite) foi iniciada em 1972, com o
ERTS 1 ou Landsat 1. O principal objetivo do sistema Landsat é o mapeamento multiespectral da
superfície da Terra. O Landsat 5 e o Landsat 7 deixaram de operar em meados de 2012 e, em
fevereiro de 2013, foi colocado em operação o Landsat 8.
Esse novo satélite da série Landsat possui a bordo dois sensores, o OLI (Operational Land
Imager) e o TIRS (Termal InfraRed Sensor). Entre os canais de aquisição radiométrica estão
incluídas nove bandas multiespectrais e uma pancromática do sensor OLI e duas bandas do TIRS
na região do infravermelho térmico, a Banda 10 e Banda 11 correspondentes às faixas do
espectro eletromagnético de 10,60 a 11,19 µm e de 11,50 a 12,51 µm, respectivamente.
As informações dos produtos da série Landsat estão disponíveis na página do Serviço
Geológico dos Estados Unidos da América do Norte (USGS, 2014), nela são encontradas as
equações para correções radiométricas de forma a se calcular o valor de radiância e refletância
de cada uma das bandas do sensor OLI, bem como o cálculo da temperatura com base na
radiância das bandas 10 e 11 do sensor TIRS.
Neste artigo procurou-se avaliar os valores das temperaturas obtidas com cada uma
dessas bandas baseada na medida de suas diferenças. Complementarmente foram avaliadas as
características da cobertura do solo associada a cada faixa de temperatura obtida com cada
banda e a diferença obtida na análise de dois períodos climáticos distintos do Distrito Federal:
seco e chuvoso.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Para este artigo foram calculadas as temperaturas utilizando as imagens do Landsat 8, da órbita
221 ponto 71 correspondentes a passagem de 13 de setembro de 2013 e 29 de maio de 2014.
Essas datas coincidem com o final dos períodos seco e chuvoso do Distrito Federal. As imagens
foram fornecidas por cortesia do USGS após realização de cadastro. As temperaturas obtidas a
partir dos valores de níveis de cinza das bandas 10 e 11 foram avaliadas com base nas
diferenças de temperatura resultantes de cada uma dessas bandas e de diferentes datas.
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O cálculo da temperatura de brilho de superfície foi realizado a partir de algoritmos de
operações aritméticas já disponíveis bem como escrevendo um programa na linguagem Legal
(linguagem espacial para geoprocessamento algébrico) do programa Spring (Camara et al., 1996)
desenvolvido pelo Instituto de Pesquisas Espaciais (INPE) e distribuído gratuitamente na Web.
A temperatura de brilho da superfície de todo o Distrito Federal foi calculada utilizando-se
as equações fornecidas na página do Landsat e os parâmetros encontrados no arquivo de
metadados que acompanham os arquivos das imagens.
Segundo informações da página do Landsat (USGS, 2014) a radiância (Lλ) de cada uma
das bandas pode ser calculada segundo a seguinte equação:
Lλ = ML x Qcal + AL
(1)
Sendo: ML e AL parâmetros obtidos no arquivo de metadados das imagens e Qcal o nível
de cinza das imagens dos sensores do Landsat 8.
Para o cálculo da temperatura em graus Célsius (T) utiliza-se a seguinte equação:
T = K2/Ln ((K1/Lλ)+1) – 273
(2)
Sendo K1 e K2 parâmetros contidos no arquivo de metadados das respectivas imagens e
Lλ obtido pela equação (1).
3. RESULTADOS
3.1. Imagens do período seco
Os resultados do cálculo de temperatura de brilho das imagens do período seco constam em
Souza & Silva Junior (2015).
As Figuras 1 e 2 correspondem às temperaturas para as bandas 10 e 11 da data 13 de
setembro de 2013, respectivamente.
Figura 1. Temperaturas baseadas na imagem da banda 10: imagem 13 de setembro de 2013.
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3
Figura 2. Temperaturas baseadas na imagem da banda 11: imagem 13 de setembro de 2013.
As temperaturas de brilho calculadas com as bandas 10 e 11 variam predominantemente de
25° a 41° C com média de 34° C e 33° C para as bandas 10 e 11, respectivamente. Os
histogramas dos valores calculados com cada uma das bandas podem ser vistos na Figura 3.
Figura 3. Histogramas dos valores de temperaturas calculados com as bandas 10 e 11: imagem 13 de
setembro de 2013.
Os valores das diferenças entre as bandas foram calculados se utilizando uma operação
aritmética disponível no programa Spring. Os resultados podem ser vistos na Figura 4 e
representam os valores de temperaturas calculados pela banda 11 subtraídos dos calculados com
a banda 10.
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Figura 4. Diferença das temperaturas calculadas pelas bandas 11 e 10: imagem de 13 de setembro de 2013.
Com base nas medidas do plano de informação referentes à diferença de temperatura
entre as bandas temos que 40,7% da área as diferenças de temperatura estão entre -1 a 0° C,
48,3% estão entre -1 e -2° C e apenas 4,6% são maiores que 0° C e 6,4% menores que -2° C.
3.2. Imagens do período chuvoso
Em relação ao período chuvoso, as imagens utilizadas datam de 29 de maio de 2014. Os cálculos
das temperaturas de brilho obtidas com cada uma das bandas resultaram em planos de
informação da categoria de modelo numérico de terreno os quais permitem a visualização em
uma escala continua, bem como se fazer uma avaliação estatística dos resultados.
As temperaturas calculadas com as bandas 10 e 11 variam predominantemente de 17° a
31° C com média de 23° e 21° C para as bandas 10 e 11, respectivamente. Os histogramas dos
valores calculados com cada uma das bandas podem ser vistos na Figura 5.
Figura 5. Histogramas dos valores de temperaturas calculados com as bandas 10 e 11: imagem de 29 de
maio de 2014.
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As Figuras 6 e 7 correspondem às temperaturas para as bandas 10 e 11 da data 29 de
maio de 2014, respectivamente.
Figura 6. Temperaturas baseadas na imagem da banda 10: imagem de 29 de maio de 2014.
Figura 7. Temperaturas baseadas na imagem da banda 11: imagem de 29 de maio de 2014.
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Os valores das diferenças entre as bandas foram calculados da mesma forma. Os
resultados podem ser vistos na Figura 8 e representam os valores de temperaturas calculados
pela banda 11 subtraídos dos calculados com a banda 10. Assim, os valores negativos indicam
que os valores calculados com a banda 10 são maiores que os calculados pela banda 11 e os
valores positivos indicam que os valores calculados com a banda 11 são maiores que os
calculados com a banda 10.
Figura 8. Diferença das temperaturas calculadas pelas bandas 11 e 10: imagem de 29 de maio de 2014.
Comparando as Figuras 6, 7 e 8 pode-se observar que para as menores temperaturas os
valores calculados pela banda 10 foram subestimados em relação aos calculados com a banda
11. Para as maiores temperaturas ocorreu o contrário, ou seja, os valores calculados pela banda
11 é que foram subestimados em relação aos calculados com a banda 10.
Com base nas medidas do plano de informação referentes à diferença de temperatura
entre as bandas temos que 65,9% da área as diferenças de temperatura estão entre -2° a -1° C,
32,8% estão entre -1° e 0° C e apenas 1,3% são menores que -2° C.
Os dados de temperatura obtidos com as imagens para os períodos citados foram
organizados na Tabela 1.
Tabela 1. Relação de temperaturas entre os períodos.
Temperatura
mínima (°C)
Temperatura
máxima (°C)
Média (°C)
Período seco
Banda 10 Banda
11
21
23
Período chuvoso
Banda 10 Banda 11
13
13
49
48
39
36
34
33
23
21
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Na Tabela 1 pode ser observado que as médias das temperaturas obtidas com dados das
mesmas bandas em datas diferentes (período seco e chuvoso) variam cerca de 11° C sendo as
do período seco maiores que as do chuvoso.
3.3. Análise das coberturas do solo associadas às faixas de temperatura
Em relação às coberturas do solo, foi observada uma boa relação entre as formas de cobertura e
as temperaturas calculadas com ambas as bandas (Tabela 2). Nessa tabela pode ser observado
que pequenas diferenças ocorrem para temperaturas abaixo de 30° C (período seco) e 20° C
(período chuvoso) e que, para as temperaturas maiores que 33° C (período seco) e 23° C
(período chuvoso), praticamente correspondem às áreas com baixa qualidade ambiental onde
ocorrem áreas urbanas pouco arborizadas, campos limpos, solos expostos e áreas queimadas.
Tabela 2. Relação entre as temperaturas obtidas com as bandas 10 e 11 e a cobertura do solo - períodos
seco e chuvoso
Temp.
período seco
Temp.
período chuvoso
Cobertura do Solo
Cobertura do Solo
Banda 10
Banda 11
Reservatórios de água
Reservatórios com
água profunda
(°C)
(°C)
23
13
25
15
Borda dos
reservatórios de água
Reservatórios de
água e agricultura
irrigada
27
17
Silviculturas, matas
galerias exuberantes e
agricultura irrigada
Silviculturas, matas
galerias exuberantes e
agricultura irrigada
29
19
Matas de galerias,
cerradão, silviculturas e
agricultura irrigada
Matas de galerias,
cerradão, silviculturas
31
21
Cerrado, silvicultura
33
23
Cerrado, campo e
áreas urbanas bem
arborizadas
Áreas urbanas e
campo
35
27
Áreas urbanas, campo
Áreas urbanas e
solo exposto
37
27
Solo exposto
Solo exposto
39
29
Solo exposto e áreas
queimadas
41
31
Solo exposto e áreas
queimadas
Áreas queimadas
43
33
Áreas queimadas
Áreas queimadas
45
35
Áreas queimadas
Áreas queimadas
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Cerrado, silvicultura
e áreas urbanas bem
arborizadas
Solo exposto e
áreas queimadas
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Nas faixas de temperaturas mais baixas, isto é, abaixo dos 33° C no período seco e 22° C
no chuvoso, têm-se corpos d’água e cobertura do solo vegetadas, desde as matas de galerias,
cerradão, silviculturas, agricultura irrigada e áreas urbanas bem arborizadas, ou seja, áreas de
boa qualidade ambiental.
Nas faixas de temperaturas mais elevadas, acima de 33° C no período seco e 22° C no
período chuvoso, têm-se áreas com baixa qualidade ambiental tais como solos expostos, áreas
queimadas e áreas urbanas pouco arborizadas.
4. CONCLUSÕES
Os valores de temperatura de brilho da superfície do solo calculados com as bandas 10 e 11 do
sensor TIRS a bordo do Landsat 8 com base nas imagens do dia 13 de setembro de 2013
apresentam pequena diferença nos seus resultados sendo que para as temperaturas entre 33° e
43° C foi onde se concentram as maiores diferenças. Em apenas 4,6% da área a temperatura
calculada com a banda 11 é maior que a calculada com a banda 10. As diferenças maiores que
2° C ocorreram em apenas 6% da área.
Em relação aos dados obtidos com as imagens do dia 29 de maio de 2014, em 99,9% da
área a temperatura calculada com a banda 10 é maior que a calculada com a banda 11.
Observa-se tanto nas imagens do período seco quanto nas do chuvoso que para as
menores temperaturas os valores calculados pela banda 10 foram subestimados em relação aos
calculados com a banda 11, enquanto que para as maiores temperaturas ocorreu o contrário, isto
é, os valores calculados pela banda 11 é que foram subestimados em relação aos calculados com
a banda 10.
Em ambos os casos as temperaturas calculadas com a banda 10 são em torno de 1º C
maiores que as calculadas com a banda 11, confirmando os resultados obtidos por Souza & Silva
Junior (2015).
Em relação aos resultados obtidos com as imagens dos dois períodos climáticos citados,
as médias das temperaturas do final do período seco são cerca de 11° C maiores do que as do
final do período chuvoso.
Quanto às coberturas do solo, foi observada uma boa relação entre as formas de
cobertura e as temperaturas calculadas com ambas as bandas, apresentando áreas de boa
qualidade ambiental relacionadas às temperaturas mais baixas e áreas de baixa qualidade
ambiental relacionadas às temperaturas mais elevadas.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao USGS pela cortesia das imagens Landsat.
REFERÊNCIAS
CAMARA G, et al. (1996). Spring: Integrating remote sensing and GIS by object-oriented data
modelling. Computers & Graphics, 20: (3) 395-403.
SOUZA, N.M., SILVA JUNIOR, E.E.A. (2015). Uso de imagens Landsat 8 para o cálculo de
temperatura de brilho de superfície. 9º Simpósio Brasileiro de Cartografia Geotécnica e
Geoambiental, ABGE, Cuiabá, MT, 5 p. “CD-ROM”
SANTOS, M. (1993) A Urbanização Brasileira. Ed. Hucitec, São Paulo, 157 p.
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USGS (2014). United State Geological Survey. http://landsat.usgs.gov/landsat8.php. Acesso em
outubro de 2014.
ZUQUETTE, L.V., GANDOLFI, N. (2004). Cartografia geotécnica. Oficina de Textos, São Paulo,
SP, 190 p.
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