10ª Conferência Nacional do Ambiente, Universidade de Aveiro, 6 a 8 de novembro de 2013 Modelação da produtividade primária em montados de sobro utilizando dados espectrais de campo e deteção remota João M. N. Silva (a) , Sofia Cerasoli (a) , Nuno Carvalhais (b,c) , Alexandre Correia (a) , Filipe Costa e Silva (a) , Gerardo López (a) ,João Santos Pereira (a) (a) Centro de Estudo Florestais, Instituto Superior de Agronomia, Universidade Técnica de Lisboa,E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected](b) Max Planck Institute for Biogeochemistry, Jena, Alemanha, E-mail:[email protected](c) Departamento de Engenharia do Ambiente, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa Sumário Neste estudo utilizaram-se dados espectrais medidos em campo e provenientes de detecção remota para monitorizar a dinâmica temporal da actividade fotossintética e para parametrizar um modelo de estimativa da PPB numa área de montado de sobro, em que os fluxos de água e carbono são medidos continuamente pelo método da covariância turbulenta. Obteve-se uma relação linear significativa entre o NDVI, calculado com os dados espectrais, e a FRFA, medida com o ceptómetro, para as árvores e os arbustos. Observou-se uma melhoria significativa das estimativas da produtividade primária bruta quando o modelo é forçado com valores de NDVI (sensor MODIS) em comparação com a utilização de apenas dados meteorológicos. A inclusão da contribuição para a produtividade primária bruta de cada tipo de vegetação, integrada com NDVI e PRI obtidos de medições espectrais de campo, compara-se melhor com as observações. Estes resultados corroboram perspectivas para melhorar as estimativas da sazonalidade da PPB com base em índices espectrais. Palavras-chave: produtividade primária; reflectância, fenologia, sobreiro, vegetação arbustiva e herbácea Introdução Nos últimos anos, dados provenientes de espectroradiometria de campo e de detecção remota têm sido utilizados para monitorizar a actividade fotossintética e para melhorar o desempenho de modelos de estimativa da produtividade primária bruta (PPB) em diferentes ecossistemas. Um dos modelos mais utilizados assume que a assimilação de carbono pela vegetação é proporcional à fracção da radiação fotossintética activa que é absorvida (FRFA) e à eficiência do uso da radiação (EUR) (Monteith, 1972). A vantagem deste modelo reside na possibilidade de utilizar índices espectrais, nomeadamente o Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) e o Photochemical Reflectance Index (PRI, Gamon et al., 1992) para determinar os parâmetros do modelo, respectivamente FRFA e EUR. A aplicação destes modelos a florestas mediterrânicas abertas é um desafio, maior do que para outros
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10ª Conferência Nacional do Ambiente, Universidade de Aveiro, 6 a 8 de novembro de 2013
Modelação da produtividade primária em montados de sobro utilizando dados espectrais de campo e deteção remota
João M. N. Silva(a), Sofia Cerasoli(a), Nuno Carvalhais(b,c), Alexandre Correia(a), Filipe Costa e Silva(a), Gerardo López(a),João Santos Pereira(a)
Neste estudo utilizaram-se dados espectrais medidos em campo e provenientes de detecção remota para monitorizar a dinâmica temporal da actividade fotossintética e para parametrizar um modelo de estimativa da PPB numa área de montado de sobro, em que os fluxos de água e carbono são medidos continuamente pelo método da covariância turbulenta. Obteve-se uma relação linear significativa entre o NDVI, calculado com os dados espectrais, e a FRFA, medida com o ceptómetro, para as árvores e os arbustos.
Observou-se uma melhoria significativa das estimativas da produtividade primária bruta quando o modelo é forçado com valores de NDVI (sensor MODIS) em comparação com a utilização de apenas dados meteorológicos. A inclusão da contribuição para a produtividade primária bruta de cada tipo de vegetação, integrada com NDVI e PRI obtidos de medições espectrais de campo, compara-se melhor com as observações. Estes resultados corroboram perspectivas para melhorar as estimativas da sazonalidade da PPB com base em índices espectrais.
Palavras-chave: produtividade primária; reflectância, fenologia, sobreiro, vegetação arbustiva e herbácea
Introdução
Nos últimos anos, dados provenientes de espectroradiometria de campo e de detecção remota têm sido utilizados para monitorizar a actividade fotossintética e para melhorar o desempenho de modelos de estimativa da produtividade primária bruta (PPB) em diferentes ecossistemas. Um dos modelos mais utilizados assume que a assimilação de carbono pela vegetação é proporcional à fracção da radiação fotossintética activa que é absorvida (FRFA) e à eficiência do uso da radiação (EUR) (Monteith, 1972). A vantagem deste modelo reside na possibilidade de utilizar índices espectrais, nomeadamente o Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) e o Photochemical Reflectance Index (PRI, Gamon et al., 1992) para determinar os parâmetros do modelo, respectivamente FRFA e EUR. A aplicação destes modelos a florestas mediterrânicas abertas é um desafio, maior do que para outros
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ecossistemas, pois são compostas por diferentes tipos funcionais (árvores, arbustos e vegetação herbácea) e estão sujeitas a uma grande variabilidade climática sazonal e interanual. Neste estudo utilizaram-se dados espectrais medidos em campo e provenientes de detecção remota para monitorizar a dinâmica temporal da actividade fotossintética e para parametrizar um modelo de estimativa da PPB numa área de montado, em que os fluxos de água e carbono são medidos continuamente pelo método da covariância turbulenta. Pretendeu-se especificadamente:
i) caracterizar a variação sazonal do NDVI, do PRI e de outros índices espectrais para os três tipos funcionais;
ii) caracterizar a relação entre o NDVI e a FRFA;
iii) quantificar a contribuição de cada tipo funcional para a produtividade primária bruta global;
iv) comparar as estimativas de produtividade primária bruta obtidas quando se utilizam os dados de espectroradiometria de campo com aquelas que se obtêm quando se recorre a dados extraídos de imagens do sensor Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS).
Descrição do trabalho
As medições foram realizadas na Herdade da Machoqueira do Grou, Coruche. As árvores medidas foram seleccionadas na proximidade de uma torre de medição de fluxos de carbono e água pelo método da covariância turbulenta (Baldocchi, 2003), que se encontra em funcionamento desde 2009. As medições são realizadas a uma frequência de 20 Hz e agrupadas em períodos de 30 minutos. Em simultâneo são realizadas medições meteorológicas (temperatura, humidade, velocidade e direcção tridimensional do vento, radiação e precipitação).
As assinaturas espectrais, cobrindo os comprimentos de onda dos 350 aos 2500nm, foram recolhidas com um espectroradiómetro de campo (Fieldspec 3, ASD Inc.) com uma periodicidade aproximadamente mensal de Abril de 2011 a Abril 2013, em seis árvores, oito arbustos e quatro parcelas de vegetação herbácea. Ao mesmo tempo, efectuaram-se medições de FRFA por meio de um céptometro (AccuPAR LP-80,Decagon Devices) em todos os tipos funcionais.
O modelo proposto por Monteith (1972) assume que a produtividade primária resulta do produto da Eficiência de Uso da Radiação (EUR) pela radiação fotossinteticamente activa interceptada (eq.1):
PPB= EUR*FRFA*RFA (eq. 1).
A PPB foi estimada a partir das medições de campo das Trocas Liquidas do Ecossistema (Net Ecosystem Exchange – NEE), recorrendo-se a uma aplicação online (Online EDdy Covariance Gapfilling and Flux Partitioning Tool - http://www.bgc-jena.mpg.de/~MDIwork/eddyproc/). Dada a heterogeneidade espacial do sítio de estudo, estimou-se qual o tipo de vegetação predominante em cada medição de PPB com uma ferramenta de análise da footprint dos fluxos (Neftel et al., 2008).
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Neste estudo a contribuição de cada tipo funcional para a PPB global foi determinada considerando a fracção de cobertura do solo (fr) ocupada por árvores, arbustos e pelo estrado herbáceo (eq. 2). Os índices espectrais NDVI e PRI, obtidos em campo, foram utilizados para estimar os parâmetros FRFA e EUR, respectivamente.
Os três tipos funcionais mostraram tendências diferentes relativamente aos valores de NDVI, com a vegetação herbácea a exibir uma sazonalidade forte em consequência da senescência no verão (Figura 1-a). O sobreiro mostrou uma pequena variação ao longo do ciclo fenológico, o que seria de esperar numa espécie de folha perene, enquanto os relativos aos arbustos revelaram alguma variação no final da estação seca. A análise temporal dos valores de PRI revelou duas características importantes: a renovação das folhas do sobreiro na primavera e uma diferença marcante entre as árvores e os outros dois tipos de vegetação durante condições de estresse estival, durante o qual o sobreiro mantém valores elevados de PRI (Figura 1-b). Foi obtida uma relação linear significativa (linha a cheio) entre o NDVI, calculado com os dados espectrais e a FRFA, medida com o ceptómetro, para as árvores (Figura 2) e os arbustos (Figura 3), semelhante aos valores publicados (Myneni and Williams, 1994) (a tracejado).
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Figura 1. Séries temporais de: a) NDVI; b) PRI; c) radiação fotossinteticamente activa (RFA – µmol m-2 dia-1) e precipitação diária (mm). A RFA foi alisada com uma média móvel de 7 dias, para facilitar a visualização.
Figura 2 Relação NDVI vs. FRFA para as árvores.
Figura 3. Relação NDVI vs. FRFA para os arbustos.
Relativamente à modelação, foram testadas três abordagens: a clássica (Figura 4) em que a EUR máxima é limitada de acordo com factores ambientais como a temperatura e a disponibilidade de água no solo; uma abordagem em que foram utilizados dados do satélite MODIS (250 m) para estimar o FRFA (Figura 5); e outra em que a contribuição de cada tipo de vegetação para a PPB global foi compartimentada de acordo com a equação 2 (Figura 6). Os índices espectrais NDVI e PRI, obtidos em campo, foram utilizados para estimar os parâmetros FRFA e EUR, respectivamente.
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y = 1.1291x - 0.1056
R² = 0.6221
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0.80
0.90
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Figura 4. Comparação entre dados modelados e observados da PPB e eficiência do modelo, utilizando apenas dados meteorológicos.
Figura 5. Comparação entre dados modelados e observados da PPB e eficiência do modelo, utilizando dados MODIS para o cálculo de FRFA. modstd corresponde a utilizar o modelo com parâmetros padrão e modopt corresponde a utilizar o modelo com parâmetros optimizados com os dados.
Figura 6. Comparação entre dados modelados e observados da PPB e eficiência do modelo, utilizando o modelo compartimentado (eq. 2) e dados de campo para os três tipos de vegetação. modstd corresponde a utilizar o modelo com parâmetros padrão e modopt corresponde a utilizar o modelo com parâmetros optimizados com os dados.
As estimativas de PPB recorrendo à abordagem clássica (utilização de apenas dados meteorológicos) reproduzem o padrão temporal de variação, mas apresentam desvios significativos dos valores observados em quase toda a série temporal (Figura 4). A utilização do NDVI para a estimação da FRFA permite uma melhoria significativa na performance do modelo (figura 5), em particular da eficiência de modelação. A diferenciação da PPB por tipo
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de vegetação (Figura 6) parece aumentar a performance do modelo, embora o reduzido número de pontos não permita uma comparação directa com os resultados anteriores.
Conclusão
Na implementação de um modelo de EUR, observou-se um grau de confiança mais elevado nas estimativas de PPB instantâneo quando forçado com valores de NDVI provenientes do sensor MODIS relativamente à abordagem clássica. A inclusão da contribuição para a produtividade primária bruta de cada tipo de vegetação, integrada com NDVI e PRI obtidos de medições espectrais de campo, compara-se melhor com as observações. Estes resultados corroboram perspectivas para melhorar estimativas da sazonalidade da PPB com base em índices espectrais.
Referências Bibliográficas
Baldicchi, D. D. (2003)., Assessing the eddy covariance technique for evaluating carbon dioxide exchange rates of ecosystems: past, present and future. Global Change Biology , 9: 479–492.
Gamon, J. A., Peñuelas, J., & Field, C. B. (1992). A narrow-waveband spectral index that tracks diurnal changes in photosynthetic efficiency. Remote Sensing of Environment , 41: 35–44.
Monteith, J. L. (1972). Solar-Radiation and Productivity in Tropical Ecosystems. J Appl Ecol , 9(3): 747-766.
Myneni, R. B., e D. L. Williams (1994). On the Relationship between Fapar and Ndvi. Remote Sensing of Environment , 49(3): 200-211.
Neftel A., Spirig C. e Ammann C. (2008.) Application and test of a simple tool for operational footprint evaluations. Environmental Pollution . 152(3): 644-652.
