ANÁLISE TEMPORAL DAS IMAGENS MODIS, PRODUTO LAND SURFACE
TEMPERATURE, FOCANDO AS MUDANÇAS CLIMÁTICAS
1
Vanessa Ferreira
2
Guilherme Schvarcz Franco
3
Carmen Scherer Poerschke
3
Liane de Souza Weber
1
Universidade Federal de Santa Maria – UFSM
Avenida Roraima, nº 1000 - Camobi – Santa Maria - RS, Brasil
Integrante do PET Ciências Sociais Aplicadas
Grupo de Pesquisa em Sensoriamento Remoto, UFSM
[email protected]
2
Centro Universitário Franciscano - UNIFRA
Rua dos Andradas, nº 1614 - Centro – Santa Maria - RS, Brasil
Grupo de Pesquisa em Sensoriamento Remoto, UFSM
[email protected]
³ Universidade Federal de Santa Maria – UFSM
Avenida Roraima, nº 1000 - Camobi – Santa Maria - RS, Brasil
Grupo de Pesquisa em Sensoriamento Remoto, UFSM
[email protected]
[email protected]
Abstract. The study of surface temperature has been theme of many works, because is directly link to climate
change. At this work is made an analyze of temperature variation from 2000 to 2010 from images of MODIS
sensor, to verify if is happening or not a heating of surface. To do this, developed a computer routine to help at
images processing and statistic analysis was done over the mean of digital levels of them. After this analyze of
data, may realize that value of digital levels of images in mean are increasing, in other words, that is getting
hotter.
Resumo. O estudo da temperatura da superfície tem sido tema de vários estudos, pois está diretamente
ligado às mudanças climáticas. Neste trabalho faz-se uma analise das variações da temperatura no período
de 2000 a 2010 a partir de imagens do sensor MODIS, a fim de verificar se esta ocorrendo ou não um
aquecimento da superfície. Para isso desenvolveu-se uma rotina computacional para auxiliar no
processamento das imagens e fizeram-se análises estatísticas sobre as médias dos níveis digitais (ND’s)
delas. Após a analise dos dados pode-se perceber que os valores dos níveis digitais das imagens em media
estão aumentando, ou seja, que esta ficando mais quente.
Palavras-chave: World temperature, global warning, climate changes, Temperatura terrestre,
aquecimento global, mudanças climáticas.
Introdução
A atmosfera e a superfície formam um sistema de recepção da radiação solar e de trocas de
calor entre si, de modo que a temperatura da superfície terrestre está diretamente relacionada aos
fluxos de radiação e indiretamente relacionada fluxos de balanço de energia entre a superfície e a
atmosfera Liu (2006).
As variações da temperatura da superfície estão diretamente ligadas às mudanças climáticas.
Este termo, mudanças climáticas, é muito utilizado atualmente para referir-se a variações do clima
em escala global ou regional ao longo do tempo.
Para se compreender as mudanças climáticas recentes e futuras e elaborar modelos de
previsão destas mudanças, torna-se necessário o registro e análise das oscilações climáticas,
principalmente no âmbito da temperatura.
Como é quase impossível obter dados de temperatura do planeta inteiro por meio de estações
meteorológicas tradicionais, o uso do sensoriamento remoto se tornou uma alternativa viável,
através da estimativa da temperatura da superfície via satélite. Essa temperatura pode ser
adquirida por meio de sensores nas bandas de infravermelho termal.
1
O sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) é um dos instrumentos a
bordo do satélite TERRA, pertencente ao programa Earth Observing System (EOS), da NASA,
cujo objetivo geral, segundo Justice et.al (2002), é determinar como a Terra esta mudando e quais
são as conseqüências para a vida na Terra.
O satélite fornece observações simultâneas das feições atmosféricas (cobertura de nuvens e
propriedades associadas), oceânicas (temperatura da superfície do mar e clorofila) e terrestres
(mudanças de cobertura da terra, temperatura da superfície do terreno e propriedades da
vegetação), segundo Jensen (2009). Possui 36 bandas espectrais, sendo as bandas 31 e 32 na
faixa do espectro eletromagnético correspondentes ao infravermelho termal.
A resolução espectral, nomenclatura das bandas no sensor MODIS e a nomenclatura utilizada
neste artigo, são demonstradas na tabela a seguir:
Tabela 1. Especificação dos nomes e resoluções espectrais dos produtos utilizados do MODIS.
Nomenclatura do trabalho
Nomenclatura do Modis
Resolução Espectral
Banda 1
Banda 31 – Emis 31
10.780 - 11.280
Banda 2
Banda 32 – Emis 32
11.770 - 12.270
Para o presente estudo foram utilizados dados do produto MOD11A2, os quais são
destinados a estudos de temperatura da superfície terrestre e emissividade, com composição de 8
(oito) dias a partir de dados diários do MOD11A1, onde os pixels cobertos por nuvens buscam ser
substituídos por seus equivalentes sem nuvens numa outra imagem dentro do período de oito dias
(Site MODIS - NASA)
Através da utilização de ferramentas de sensoriamento remoto e processamento digital de
imagens, considerando o principio de que a quantidade de energia emitida pela superfície é
proporcional aos valores dos níveis digitais das imagens na banda do infravermelho termal, fez-se
uma analise temporal das variações da temperatura no período de 2000 a 2010 a fim de verificar
se esta ou não ocorrendo um aquecimento da superfície terrestre.
Ressalta-se que os resultados almejados não refletem o comportamento global da
temperatura no decorrer do tempo, pois se analisou somente dados dos últimos dez anos devido
ao fato do sensor MODIS ser uma tecnologia recente no estudo do clima e não termos muitos
dados disponíveis.
Além disso, a temperatura terrestre é um elemento da natureza de comportamento dinâmico,
ou seja, possui fases de elevação e fases de declínio por si só, e ainda é sensível a outras
variáveis tais como ação antrópica. Tais influências e a ocorrência ou não delas não foram
analisadas neste trabalho.
Para isso utilizou-se imagens correspondentes a partes das regiões Sul, Centro-Oeste e
Sudeste do Brasil, referente à faixa horizontal 13 e vertical 11 do sensor MODIS, no período de
2000 a 2010 e se desenvolveu uma rotina computacional para o processamento das imagens.
O objetivo principal é verificar se houve um aumento ou diminuição da temperatura ao longo
dos últimos anos, e demonstrar esses dados em forma de gráficos.
A relevância deste estudo se faz verificando o comportamento da temperatura nos últimos
anos, podendo concluir se esta ocorrendo um aquecimento ou resfriamento da superfície terrestre
segundo as imagens do satélite.
Metodologia de Trabalho
Seleção de imagens
Todas os produtos utilizados foram obtidos via o software GloVis (Global Visualization
Viewer) disponível no site do LP DAAC (Land Processes Distributed Active Archive Center https://lpdaac.usgs.gov) Com esta ferramenta pode-se obter qualquer imagem disponibilizada
pelo LD DAAC, como por exemplo imagens ASTER, LandaSat ou, no caso, MODIS.(LD DAAC)
Sendo assim, imagens orbitais disponíveis de todos os anos entre 2000 e 2010, com
periodicidade de oito dias, do sensor MODIS produto Land Surface Temperature foi selecionado
como objeto de analise.
Dentre as bandas disponíveis no satélite escolhido, fez-se uso das bandas 31 e 32,
equivalentes ao infravermelho termal. A escolha de tal se deve ao fato de seus níveis digitais
(ND's) representarem a quantidade de energia que a superfície terrestre responde no espaço
2
espectral de 10.780 a 12.270 micras (ver Tabela 1), faixa do espectro eletromagnético
denominado infravermelho-termal que corresponde com a temperatura da superfície terrestre
naquele momento.
Determinação da área de estudo
A região de estudo escolhida foi a faixa de imageamento de referencia horizontal 13 e vertical
11 do sensor MODIS, correspondente às partes das regiões Sul, Centro-Oeste e Sudeste do
Brasil.
Descrição do método de análise da Variação dos Níveis Digitais (ND's)
Portanto utilizou-se imagens MODIS de um período de 11 anos (2000 a 2010), cada ano com
46 imagens (composição de 8 dias), exceto os anos de 2000, que não possuía dados de seus dois
primeiros meses, o ano de 2001, que não possuía as imagens correspondentes aos dia 18 e 26 de
junho, e o ano de 2010, que não possuía imagens a partir de 24 de outubro até a data de
aquisição das imagens para este artigo, dezembro de 2010.
Para fins deste artigo, se convenciona chamar essas imagens de séries. Portanto cada ano
possuía 46 séries exceto 2000, 2001 e 2010 que possuem 38, 44 e 37, respectivamente.
Utilizando a linguagem IDL do software ENVI 4.2+IDL, desenvolveu-se uma rotina
computacional para desenvolver o processo de tratamento das imagens para as duas bandas do
Land Surface Temperature & Emissivity disponíveis, devido ao grande número de imagens e
etapas a serem desempenhadas. O código utilizado estará disponível no endereço
www.ufsm.br/sensoriamentoremoto a partir da data de publicação deste artigo.
O processo é divido em três etapas. Na primeira etapa busca-se identificar a imagem de
resposta espectral mais elevada e mais baixa de cada série e cada ano. Com isso procura-se
determinar o dia mais quente, mais frio e as variações de temperatura em cada série e em cada
ano analisado.
Na segunda etapa realizou-se uma composição de máximos e mínimos, ou seja, uma imagem
contendo o maior valor de cada pixel e outra imagem informando o menor valor de cada pixel de
todas as imagens da série, aonde cada qual representa.
Com isso, mostram-se as diferenças entre os maiores e menores valores dos níveis digitais
encontrados para cada pixel das imagens analisadas e a imagem contribuinte desse valor, ou
seja, de qual imagem esse valor foi retirado. O mesmo se fez dentro de cada ano com o objetivo
de verificar as variações máximas e mínimas do ano.
O terceiro e ultimo passo, consiste em determinar o sentido da mudança climática. A
diferença registrada por duas imagens de mesma série (dia e mês) de anos subseqüentes registra
a variação ocorrida. Sendo assim, se os níveis digitais da imagem resultante forem positivos,
significará que os níveis digitais ao longo dos anos estão aumentando, logo a temperatura dos
alvos estará elevando-se. Caso contrário, as temperaturas estarão diminuindo.
Assim se poderia determinar o comportamento da temperatura ao longo dos anos analisados
e em cada um deles, pois se os valores dos ND’s das imagens estiverem aumentando com o
decorrer dos anos, logo a temperatura também estará aumentando, porem se esses valores de
NDs estiverem diminuindo a temperatura estará diminuindo. E assim verifica-se se esta ocorrendo
um aquecimento ou não da superfície, ou se a temperatura esta apresentando um comportamento
constante.
Resultados e Discussão
Após o processo de tratamento das imagens, iniciou-se a análise. Para o primeiro passo,
identificamos as imagens mais quentes e mais frias para cada série e cada ano conforme as
tabelas abaixo:
3
Tabela 2. Anos que apresentaram valores de ND’s mais elevados e mais baixos para cada série,
na banda 1 e 2 das imagens MODIS, faixa h13v11.
Series Nds mais elevados Nds mais baixos Series Nds mais elevados Nds mais baixos
Banda 1 Banda 2
1
9
17
25
33
41
49
57
65
2001
2006
2002
2006
2010
2007
2003
2003
2008
2001
2006
2002
2006
2010
2007
2003
2003
2002
Banda
1
2007
2010
2005
2003
2001
2010
2004
2010
2003
Banda
2
2007
2010
2005
2003
2001
2010
2004
2010
2003
Banda 2
185
193
201
209
217
225
233
241
249
Banda
1
2005
2006
2007
2004
2002
2004
2007
2004
2003
2005
2008
2006
2005
2005
2009
2005
2008
2006
Banda
1
2001
2010
2001
2006
2000
2000
2009
2000
2009
Banda
2
2001
2010
2001
2006
2000
2000
2009
2000
2009
73
81
2001
2007
2001
2007
2005
2002
2005
2002
257
265
2006
2002
2007
2002
2002
2001
2002
2001
89
97
105
113
2002
2006
2009
2000
2001
2008
2005
2008
2010
2003
2008
2001
2010
2003
2008
2001
273
281
289
297
2002
2010
2003
2006
2000
2010
2003
2006
2006
2003
2005
2005
2006
2003
2005
2005
121
129
137
145
153
161
2010
2002
2008
2000
2009
2006
2010
2009
2003
2003
2005
2009
2004
2001
2005
2009
2000
2005
2004
2001
2005
2009
2000
2005
305
313
321
329
337
345
2009
2003
2006
2001
2001
2004
2009
2003
2006
2001
2008
2004
2006
2007
2003
2009
2009
2008
2006
2007
2003
2009
2009
2008
169
177
2003
2010
2004
2003
2002
2009
2002
2009
353
361
2000
2002
2000
2002
2003
2009
2003
2009
Tabela 3. Séries que apresentaram valores de ND's mais elevados e mais baixos para cada ano,
na banda 1 e 2 das imagens MODIS, faixa h13v11.
Ano
Nds mais elevados
Nds mais baixos
Banda 1
Banda 2
Banda 1
Banda 2
2000
113
185
361
361
2001
209
89
41
41
2002
129
65
337
337
2003
313
145
25
25
2004
209
169
337
337
2005
121
217
17
17
2006
97
9
1
1
2007
233
81
1
1
2008
137
241
17
17
2009
105
225
361
361
2010
121
121
9
9
Na analise estatística dos dados e elaboração de gráficos para obterem-se os resultados
finais, analisou-se cada banda separadamente. Fizeram-se as médias dos valores das diferenças
dos níveis digitais das series, a fim de verificar o comportamento de cada serie ao longo dos anos.
4
Na banda 1 (banda 31 no MODIS) os valores dos níveis digitais apresentaram uma variação de
0.00015 a -0.0002, já na banda 2 (banda 32 no MODIS) essa variação foi um pouco maior, de
0.00015 a -0.0015.
Gráfico 1. Médias dos ND's das series do período de 2000 a 2010, para a banda 1 das imagens
MODIS, faixa h13v11
Gráfico 2. Médias dos ND's das series do período de 2000 a 2010, para a banda 2 das imagens
MODIS, faixa h13v11.
Na segunda etapa, obtiveram-se como produtos as imagens de composição máxima e
mínima, ou seja, uma imagem com os maiores valores e uma imagem com os menores valores
digitais de cada pixel de todas as imagens da série para cada série. Além disso, foi gerada uma
classificação nestas composições, identificando a origem de ano/série de cada pixel das
5
composições. Estes produtos, assim como todos os demais produzidos neste trabalho, estarão
disponíveis juntamente com o código IDL conforme dito anteriormente.
Figura 1: Classificação por ano da
composição de máximos valores de NDs
encontrados nas imagens da série 001, faixa
h13v11, banda 1.
Figura 2: Composição com os máximos
valores de NDs encontrados nas imagens da
série 001, faixa h13v11, banda 1.
Analisaram-se então as estações do ano, para isso buscou-se agrupar os resultados das
diferenças das series correspondentes ás estações de cada ano. Em média o verão e o outono
apresentam uma tendência de aumento tanto na banda 1 quanto na banda 2.
Gráfico 3. Médias dos ND’s para o verão, na banda 1 de imagens MODIS, faixa h13v11.
6
Gráfico 4. Médias dos ND’s para o verão, na banda 2 de imagens MODIS, faixa h13v11.
Gráfico 5. Médias dos ND's para o outono, na banda 1 de imagens MODIS, faixa h13v11.
Gráfico 6. Médias dos ND's para o outono, na banda 2 de imagens MODIS, faixa h13v11.
7
No inverno, a banda 1 mostrou uma tendência levemente inclinada a aumentar e na banda 2
mostrou uma tendência a diminuir.
Gráfico 7. Médias dos ND’s para o inverno, na banda 1 de imagens MODIS, faixa h13v11.
Gráfico 8. Médias dos ND’s para o inverno, na banda 2 de imagens MODIS, faixa h13v11.
Já a primavera tende a diminuir na banda 1 e aumentar na banda 2.
8
Gráfico 9. Médias dos ND's para a primavera, na banda 1 de imagens MODIS, faixa h13v11.
Gráfico 10. Médias dos ND's para a primavera, na banda 2 de imagens MODIS, faixa h13v11.
Conclusões
Após a análise dos resultados, baseando-se nos valores dos níveis digitais das imagens,
verifica-se que esses valores apresentaram um comportamento bastante inconstante, mas em
média mostraram uma tendência a aumentar.
Logo, considerando os valores de temperatura proporcionais aos valores digitais das
imagens, pode-se concluir que a temperatura da superfície na região estudada apresentou uma
tendência de aumento nesta ultima década. Não se estuda neste artigo a proporção e nem as
causas desse aumento, pois o objetivo principal deste trabalho era saber se a temperatura esta
aumentando ou diminuindo através da análise dos valores dos níveis digitais das imagens.
Os resultados obtidos não refletem o comportamento global da temperatura no decorrer do
tempo, pois se analisa somente dados dos últimos dez anos devido ao fato do sensor MODIS ser
uma tecnologia recente no estudo do clima e não termos muitos dados disponíveis.
Além disso, a temperatura terrestre é um elemento da natureza de comportamento dinâmico,
ou seja, possui fases de elevação e fases de declínio por si só, e ainda é sensível a outras
variáveis tais como ação antrópica.
Contudo os dados de sensoriamento remoto no infravermelho termal mostraram-se bastante
úteis para esse estudo devido à disponibilidade de imagens com periodicidade constante e
composições que reduzem a presença das nuvens.
9
Assim, conclui-se neste estudo que a temperatura da superfície apresentou uma tendência de
aumento no período de 2000 a 2010, no entanto precisa-se continuar monitorando a temperatura a
fim de verificar como será o seu comportamento nos próximos anos e se esta tendência de
aquecimento irá continuar.
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Trad. Jose Carlos Neves Epiphanio... [et al].São José dos Campos, SP: Parêntese, 2009.598 p.
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Roy, D. P.,Morissete, J. T. An overview of modis land data processing and product status. Remote
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10