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Uso de sensoriamento remoto na estimativa do índice de área foliar em Eucalyptus
Clayton Alcarde Alvares 1 Eduardo Moré de Mattos 2 Otávio Camargo Campoe 3
Ana Heloisa Carnaval Marrichi 4 José Luiz Stape 1
1 Dpt of Forestry and Environmental Resources – North Carolina State University – NCSU
3108 Jordan Hall, Campus Box 8008, 2800 Faucette Dr., Raleigh, NC, USA 27695 {calcard, jlstape}@ncsu.edu
2 Dpto de Ciências Florestais – Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” – ESALQ,
Univesidade de São Paulo – USP Av. Pádua Dias, 11 – CEP 13418-900, Piracicaba, SP, Brasil
3 Instituto de Pesquisas e Estudos Florestais – IPEF Av. Comendador Pedro Morganti, 3500 – CEP 13415-000, Piracicaba, SP, Brasil
4 Duratex S/A Rod. Marechal Rondon, km 323 – CEP 17120-000, Agudos, SP, Brasil
[email protected] Abstract. The use of vegetation indices to estimate Leaf Area Index (LAI) has been used mostly in commercial plantings Eucalytptus, but not at the experimental areas. The objectives of this study were: i) use of RapidEye sensor images to estimate LAI of Eucalyptus clones in an experimental area; ii) to check whether the red-edge band of satellite RapidEye, in vegetation indices, improves the LAI estimations. We used a ceptometer to measure LAI of 11 clones (plots) in a Eucalyptus trial of Project TECHS , at Estrela do Sul (Minas Gerais state, Brazil), to confront them with the vegetation indices NDVI, SR, NDVIedge, SRedge, these being last two with the use of red-edge band. The vegetation indices were efficient in estimating LAI of the different Eucalyptus clones. The red-edge band increased the accuracy of estimating equations of the LAI when used in the vegetation indices NDVIedge and SRedge. Palavras-chave: índice de vegetação, red-edge band, ceptômetro, plantações florestais, silvicultura de precisão 1. Introdução
As plantações de Eucalyptus no Brasil têm se expandido ao longo dos anos (Gonçalves et al., 2013). Os estudos da ecologia da produção têm mostrado que a produção de biomassa da parte aérea da floresta (principalmente do fuste) está diretamente relacionada ao índice de área foliar (IAF) e consequentemente à absorção de radiação. A necessidade de estimar as características biofísicas da floresta, monitorar seus estoques de carbono em grande escala e, além disso, conhecer detalhadamente o dossel florestal tem requerido a aplicação de modelos ecofisiológicos e a utilização do sensoriamento remoto (Alvares et al., 2013). No Brasil, o uso de índices de vegetação para estimar o IAF tem sido utilizado, na sua maioria, em plantios comerciais de Eucalytptus, e não em áreas experimentais. Geralmente, em áreas comerciais, em comparação às experimentais, há muitos outros fatores envolvidos na produtividade, como maiores falhas de plantio, mortalidade, problemas nutricionais e presença de sub-bosque (mato competição). Assim, os objetivos deste trabalho foram: i) utilizar imagens do sensor RapidEye para estimar o IAF de clones de Eucalyptus em uma área experimental; ii) verificar se o a banda vermelho-edge do RapidEye, em índices de vegetação, melhora a estimativa do IAF.
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2. Meto 2.1 Plat
O pHídricoexperimmanipulvariedadensaio c(720 m2
plantas,O p
projeto novembprodutivA área limitaçõ
Figura 1a área dmodificem Estr 2.2 Ativ
A ecom baatravés com o uem 6 potomadasparcela.h. Em tooutra erplantaçã
odologia de
taforma TEprograma cs, Térmicos
mentais (do lação do regde climáticclonal plant2), e um en conjunto q
presente estTECHS, e
bro de 2011vidade, boaexperimen
ões nutricion
1. Localizaçde estudo docado de Alvrela do Sul;
vidades de estimativa dse na radiaçdo dossel e
uso do ceptôontos diferes 4 mediçõ. Todas as lodas as medra tomada ão aonde a r
e Trabalho
ECHS e carcooperativos e Biológicnorte do Pagime hídric
ca (Alvares tado no espansaio de esque simula dtudo selecioem ambos 1 e aos 2 ana uniformidatal recebeunais e de m
ção dos sítioo presente trares et al. (2parcelas plo
campo e mdo índice deção PAR (re da radiaçãômetro (Ac
entes, sendoões (norte, seituras de rdições o cepa radiação
radiação ch
racterização do IPEF,cos - TECHará até o Uro e espaçamet al., 201
açamento 3paçamento
densidade deonou o sítio
os ensaiosnos, em outade, reduzid
u silviculturato competi
os experimerabalho, Est2013) (a). Cotadas sobre
mensuraçãoe área foliarradiação fotão incidenteccupar LP80o 3 na linha sul, leste, oradiação forptômetro fo
o incidenteegasse diret
ão da área d, Tolerânci
HS (www.ipruguai), é c
mento de pla13) (Figura x 3 m, sencom arranj
e árvores vao de Estrelas (Figura 1tubro de 20do número ra e manejoição (Figura
entais do prtrela do Sul
Croqui e idee uma imag
do IAF r de cada utossinteticam
e acima do d0, Decagon)e 3 na entre
oeste), totaliram realizadoi nivelado
acima do tamente até
de estudo a de Euca
pef.br/techs)composto pantio (Stape
1a). Cada do uma parjo de 7 linhariando de 4a do Sul (M1b). O exp13, apresende falhas e o para garaa 2).
rograma TEl (MG). Zonentificação dgem GeoEye
uma das 11 mente ativadossel. Essa). Em cada e-linha de pizando assi
das em 15/1a 1 m acimdossel, ne
o aparelho
alyptus Clo), utiliza umor 18 clonee et al., 2014
TECHS ércela de 8 lihas (3 m e476 a 13.33MG), o quaperimento fntava elevad
baixa mortantir um cr
ECHS/IPEF,neamento cldas parcelase de maio d
parcelas (ca – 400 a 7as variáveisparcela foi
plantio, e emim 24 valor0/2013, ent
ma do solo. Eeste caso u
(Figura 3).
onais aos Ema rede de es de eucali4), e abrang composto inhas por 10entre-linhas)3 arv ha-1.
al tem 11 clfoi implantda e ampla talidade (Tarescimento
, com destaqlimático de s e clones esde 2013(b).
clones) foi r700 nm) trans foram mencoletada a
m cada pontres de radiatre às 11:30Entre uma p
uma área ex
Estresses 36 sítios ipto com ge ampla
por um 0 plantas ) por 27
lones do tado em faixa de abela 1). livre de
que para Köppen
studados
realizada nsmitida nsuradas radiação to foram ação por 0 e 13:00 parcela e xterna à
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Tabela C
PV50 = p
Figura 2
Figura 3
1. CaracteriClone Ár
mA1 B2 C3 D4 E5 G7 H8 K2 P7 Q8 R9
porcentagem a
2. Parcelas e
3. Uso do ce
ização biomrea basal V
m² ha-1 9,3
10,3 7,5 8,0 9,3 6,6 8,2 70, 4,6 6,4 7,5
acumulada do
e dossel dos
eptômetro n
métrica dos 1Volume made
m³66346353234
volume de m
s clones P7,
na coleta da
11 clones deeira (com cas
³ ha-1 62,6 68,2 39,9 45,9 60,3 34,4 50,6 39,7 20,6 34,6 49,1
madeira das 50%
, B2, R9. N
a radiação PA
e Estrela dosca) PV50
% 41 41 36 36 39 37 35 34 37 36 30
% menores ár
otar a ausên
AR inciden
o Sul em out0 Falha
% 2,5 3,8 2,5 0
8,8 6,3 0
6,3 2,5 1,3 10
rvores plantad
ncia de mato
nte.
tubro de 20Mortalida
% 1,3 0
2,5 3,8 0 0 0 0
2,5 2,5 0
das, incluindo
o na área de
013. ade
falhas
e estudo.
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A equação utilizada pelo Accupar LP-80 para derivar o IAF (Eq. 1) computa os efeitos da condição do céu no momento da aquisição dos dados, efeitos da arquitetura do dossel da cultura de interesse, propriedades ópticas das folhas, além dos efeitos da época do ano e hora do dia (direção da radiação incidente sobre o dossel). Isto torna o Accupar LP-80 um aparelho versátil, tendo Hyer e Goetz (2004) demonstrado que as estimativas de IAF permanecem consistentes sob diferentes condições de coleta.
IAFτ
. (1)
Em que f = fração da radiação PAR que incide na forma direta (f = 0,898 em dias de céu completamente limpo), τ = fração da PAR observada abaixo do dossel pela PAR observada acima do dossel, A = polinômio que descreve a absorbância da copa.
A 0,283 0,785a 0,159a (2) em que a = absorbância da folha na banda PAR (a = 0,9)
Kθ
, , , (3)
em que K = coeficiente de extinção de luz (Campbell, 1986), θ = ângulo zenital em radianos, X = parâmetro relativo à distribuição dos ângulos de inclinação foliar.
O parâmetro X é a razão entre o comprimento do semi-eixo horizontal em relação ao comprimento do semi-eixo vertical de um elipsóide e sua relação com o AMI é dada pela Eq. 4 (Wang et al., 2007).
X 3,
. (4)
em que AMI = ângulo médio de inclinação foliar em radianos.
Para determinação do AMI foram adotados os valores obtidos por Miranda et al. (2014) que coletaram aleatoriamente 30 medidas por terço da copa (divididos proporcionalmente à profundidade da copa) em um total de 6 árvores abatidas por clone, totalizando 180 medidas por terço da copa (Figuras 4 e 5).
O ângulo zenital foi calculado conforme as equações abaixo:
θ cos sin ϕ sin δ cos ϕ cos δ cos h (5) em que ϕ = latitude, δ = declinação solar, h = ângulo horário (radianos)
δ 23,45 sin NDA 80 (6)
em que NDA = número do dia do ano
h 15 t 12 (7) em que t = horário da observação (horas)
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Figura 4superior
Figura 5estudad 2.3 Ima
O Rtemporam. Dencentrada
Figura 6Verde (4): 690
Foi outubrogeométrescala r1988). FagrícolaIndex) (novos íbase naSRedge ecada pa
4. Determinr da copa (a
5. Ângulo mdos.
ageamento RapidEye é al, com resontre as quaa em 710 nm
6. Resoluçã(banda 2): 5– 730 nm; I
adquirida o de 2013. rica). Os varadiométricaForam calcuas e florest(Eq. 8 e 9) ndices foras quatro im
e NDVIedge, arcela, 720 m
nação do âna). Exemplo
médio de in
e geoproceum satélite
olução radioalidades do m (Figura 6
ão espectral520 – 590 nInfravermel
uma imageA imagem
alores de na. A correçãulados doisais, o SR ((Jensen, 20
am propostomagens resul
de cada umm2, foi cons
a
ngulo de insos de ângulo
nclinação fo
essamentoe multiespecométrica de
sensor Ra6).
e bandas dnm; Vermellho próximo
em do satélm usada énúmeros digão atmosférs índices de(Simple Ra009). Dado os, o SRedge
ltantes foramma das 11 psiderada ap
serção das fo de inclinaç
oliar nos ter
ctral que ap12 bits (40
apidEye, de
do satélite Rho (banda 3o (banda 5):
ite RapidEyé nível 2 gitais foramrica foi realie vegetaçãoatio) e o Na banda ad
e e o NDVIm obtidos o
parcelas/clonenas a sua
folhas com ção foliar (b
rços inferior
resenta cinc96 níveis deestaca-se a
RapidEye. A3): 630 – 68: 760 – 850
ye no mesm(com corre
m convertidizada com b, os mais cDVI (Normicional vermIedge, Eq. 10os valores mnes do ensaárea central
o uso de trb).
r, médio e
co bandas de cinza), e r
sua banda
Azul (banda85 nm; Vernm
mo mês da eção radiomdos em radibase no métomumente
malized Difmelho-edge0 e 11, respmédios dos aio clonal. Dl, de 375 m
ransferidor
superior do
de mesma reresolução esa 4 vermel
a 1): 440 – rmelho-edge
campanha métrica e ciância com todo DOS (usados em
fference Vee do RapidEpectivameníndices SR
Do tamanhom2, correspon
b
no terço
os clones
esolução spacial 5 lho-edge
510 nm; e (banda
de IAF, correção base na
(Chavez, culturas
egetation Eye, dois nte. Com R, NDVI, o total de ndente a
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15 pixevizinhoIAF mé
3. Resu
O IAPorém, valores camaldusignifica7). Ou sDestacano períocom dé
Figura 7
els do Rapids. Por fim,
édios de cad
SR
N
SR
ND
ultados e DiAF médio eo IAF varimédios na
ulensis) e ativas relaçseja, uma ú
a-se que, tanodo pós-invéficit hídric
7. Relação e
dEye. Tal ros valores
da parcela.
R
DVI
DVI
iscussão estimado peiou entre 0,as parcelas
R9 (Euões expone
única curva nto os valorverno (outuco. Além d
entre o IAF
restrição fo médios do
elo ceptôme,56 e 4,79 ms dos clonucalyptus enciais (p <
que abrangres de IAF
ubro/2013), disso, as á
e os índice
oi realizada os índices d
etro em todm2
folha m-2
so
nes C3 (híburophylla), 0,001) entr
ge a variedaquanto dosapós períod
árvores con
s de vegetaç
a fim de ede vegetaçã
dos os 11 clolo, sendo esbrido Euca
respectivre o IAF e oade de copas índices de do de baixa
ntavam com
ção NDVI e
evitar a inteão foram co
ones foi desses limitesalyptus gravamente. Fos índices dea dos 11 clo
vegetação,a temperatum dois ano
e NDVIedge.
erferência donfrontados
2,45 m2folh
s encontradoandis x EuForam obse vegetaçãoone aqui es, foram menura e fotopeos de idade
de pixels com os
(8)
(9)
(10)
(11)
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solo. os como
ucalyptus servadas
o (Figura tudados. nsurados eríodo, e e. O R2
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encontratradiciobanda vno NDVocorreuentre 68espectrapróximorelação para a mtrabalhoestaçõesNDVIed
imagementre osdireta dmapa dedeste enconstituhemisfé
Figura Extrapo 4. ConcNo prescompeti
ado ficou nais, ou se
vermelho-edVIedge e SR
u, pois a ban80 e 780 nal em como (Cho e Ssemelhante
mesma espéo para talhõs contrastandge (Figura
m RBG da ás diferentes dos resultadoe IAF, e asnsaio. Sabeui um desaféricas...), po
8. Mapeamolação do IA
clusões sente estudoição (sub-bo
entre 0,63 eja, com o dge nos índi
Redge (Figuranda vermelhnm, e é infl
mprimentos Skidmore, 2e entre NDVécie. Paiva (ões de Eucntes do ver7c) foi à
área de estuclones de aos, o arquivsim foi obt
e-se que emfio de ser oborém pode s
mento e cAF, no nível
o, uma área osque), e se
e 0,64 nauso da banices de vegeas 7c e 7d).ha-edge ficafluenciada, p
de onda v2006). FlorVI e IAF par(2009) chegcalyptus, corão e invernaplicada ao
udo, onde pambos ensaivo de árvortido o IAF m
m ensaios dbtida por mer usada co
classificaçãl da árvore,
experimentem limitaçõ
as relações nda vermelhetação, o R2
. Esse ganha na região dprincipalmevermelho ees (2009), ra Pinus tae
gou numa reom base nono no Valeo layer NDode-se notaios TECHS res do ensaimédio de cae espaçame
métodos nãoom sucesso d
o do IAFem todas as
tal com Eucões nutricion
do IAF cho e IVP. 2 saltou paraho de sensibde mudançaente, pelo ee dispersão
com base eda, e relaçãelação expono sensor Me do Rio DDVIedge, claar a intensa
(Figura 8a)io de espaçaada tratameento tipo No destrutivosda maneira
em funçãs faixas do
calyptus de nais, os índ
com os índPorém, quaa 0,83 e 0,8bilidade naa abrupta daefeito comb
na regiãono sensor ão linear ennencial sem
MODIS, conDoce (MG).
ssificada e variabilida
). Como examento foi ento, ou faix
Nelder a vars (ceptômetaqui aprese
ão da equensaio de es
2 anos de idices de veg
dices de veando consid84, respectiva estimativaa reflectâncbinado de ao do infravLandsat, en
ntre índice Smelhante ao nsiderando A equaçãosobreposta
ade espacialemplo de uinterceptadxa de espaçriável IAF tro, LAI200entada (Figu
uação NVIspaçamento
idade, livre getação ND
egetação derada a vamente, a do IAF ia foliar, absorção vermelho ncontrou SR e IAF presente as duas
o IAF x a à uma l do IAF tilização
do com o çamento, ainda se 00, fotos ura 8b).
Iedge (a). o (b).
de mato VI e SR
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foram eficientes na determinação do IAF de diferentes clones de Eucalyptus. A banda vermelho-edge do satélite RapidEye aumentou a precisão das equações estimadoras do IAF quando usada no índices de vegetação NDVI e SR. Agradecimentos
Ao projeto TECHS-IPEF e à Duratex S/A pelo fornecimento da imagem de satélite. Aos estudantes de Eng. Florestal (ESALQ/USP) e estagiários do IPEF, Lays Miranda, Giovanna Samesima, Ítalo Cegatta, Jéssica Carmo, Beatriz Gonsalez, Lara Calvo, pelo apoio no trabalho de campo. Referências Bibliográficas Alvares, C.A.; Stape, J.L.; Sentelhas, P.C.; Moraes, J.L.M.; Sparovek, G. Köppen's climate classification map for Brazil. Meteorologische Zeitschrift, v. 22, n. 6, p. 711-728, 2013.
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