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Title in Portuguese: Dinâmica de atributos limnológicos e uso de sensoriamento remoto para estimar as concentrações de clorofila-a em reservatório no Semiárido
Title: Dynamics of limnological attributes and use of remote sensing to estimate the concentrations of chlorophila-a in reservoir in the Semiarid
Author: Mendonça, Janaina Castro de
Advisor(s): Lopes, Fernando Bezerra
Keywords: Eutrofização
Sensor Ocean and Land Colour Instrument - OLCI.
Satélite Sentinel-3
Bacia hidrográfica
Issue Date: 30-Jul-2018
Citation: MENDONÇA, Janaina Castro de. Dinâmica de atributos limnológicos e uso de sensoriamento remoto para estimar as concentrações de clorofila-a em reservatório no Semiárido. 2018. 108 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) - Centro de Ciências Agrárias, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2018.
Abstract in Portuguese: Os sistemas aquáticos continentais têm função direta de atender a alta demanda de água para a população e os mais diversos usos na sociedade. Tratando-se de reservatórios na região semiárida, os fatores quantitativo e qualitativo tornam-se relevantes em qualquer esfera social. Nesse contexto, a redução do volume de água armazenado em reservatório da região semiárida deteriora a qualidade da água. Assim, quando se utiliza do sensoriamento remoto a partir de sensores ópticos como ferramenta gestora para obter remotamente as concentrações de clorofila-a em corpos hídricos é possível reduzir custos e criar um vasto banco de dados. Desta forma, objetivou-se avaliar o estado qualitativo das águas de um reservatório artificial superficial, classificá-lo de acordo com o seu estado trófico e quantificar as concentrações de clorofila-a utilizando dados de sensoriamento remoto. O estudo foi realizado no Reservatório Pereira de Miranda, Pentecoste, Ceará. As campanhas foram realizadas trimestralmente, entre abril de 2015 e setembro de 2016, em cinco pontos amostrais, georreferenciados. Os atributos limnológicos analisados foram Clorofila-a, pH, CE, nitrogênio total, fósforo total, transparência, sólidos em suspensão fixo, voláteis e totais e temperatura. As coletas dos dados radiométricos, in situ, foram obtidas pelo sensor hiperespectral, ASD FieldSpec® 3 Hi-Res, com campo de visada de 25º, resolução espectral: 1,4 nm e que abrange a faixa espectral de 350 a 2500 nm. Para os atributos limnológicos foi aplicado o modelo estatístico multivariado, Análise da Componente Principal (ACP), com o objetivo de identificar os fatores determinantes da qualidade das águas. Com os dados de radiância in situ foram simuladas as respostas espectrais das bandas do sensor OLCI/Sentinel-3 e parametrização dos modelos de regressão para recuperação remota das concentrações de clorofila-a. Foram utilizados 75% dos dados para a etapa de parametrização, e em seguida foram validados os modelos empregando-se os outros 25% dos dados. Os atributos limnológicos clorofila-a, N-total e P-total apresentaram concentrações acima do limite recomendado para abastecimento humano. As águas do reservatório Pereira de Miranda estão com elevado grau de trofia, ou seja, eutrofizadas. A técnica de análise de componente principal permitiu a seleção de três componentes indicadoras da qualidade das águas superficiais, explicando 82,34% da variância total. As variações da qualidade da água foram definidas por um grupo de sólidos em suspensão, um grupo de nutrientes e sais solúveis e um grupo orgânico. Foram desenvolvidos modelos de duas e três bandas, (8 e 11) e (8; 11 e 12), com os respectivos comprimentos de onda de (665; 708,75 e 761,25 nm). Os modelos de duas e três bandas apresentaram coeficientes de determinação (R²) de 0,71 e 0,82, respectivamente. Os modelos, na etapa de validação, apresentaram coeficientes de determinação (R²) altos, 0,91 e 0,85, coeficientes de correlação (r) forte, 0,95 e 0,92 e NSE de 0,85 e 0,82, respectivamente, para os modelos de duas e três bandas. Os bons desempenhos dos modelos, usando os dados simulados mostram a viabilidade de se estimar remotamente as concentrações de clorofila-a em reservatórios superficiais do semiárido a partir dos dados do sensor orbital OLCI/Sentianel-3.
Abstract: Continental aquatic systems have a direct function of meeting the high demand of water for the population and the most diverse uses in society. In the case of reservoirs in the semi-arid region, the quantitative and qualitative factors become relevant in any social sphere. In this context, the reduction of the volume of water stored in the reservoir of the semi-arid region deteriorates the quality of the water. Thus, when remote sensing is used from optical sensors as a management tool to remotely obtain concentrations of chlorophyll in water bodies, it is possible to reduce costs and create a vast database. In this way, the objective was to evaluate the qualitative status of the waters of a superficial artificial reservoir, to classify it according to its trophic state and to quantify the concentrations of chlorophyll a using remote sensing data. The study was carried out at the Pereira de Miranda Reservoir, Pentecoste, Ceará. The campaigns were conducted quarterly, between April 2015 and September 2016, in five sample points, geo-referenced. The limnological attributes analyzed were Chlorophyll-a, pH, EC, total nitrogen, total phosphorus, transparency, fixed, volatile and total suspended solids and temperature. In situ radiometric data collection was obtained by the hyperspectral sensor, FieldSpec® 3 Hi-Res ASD, with a 25º field of view, a spectral resolution of 1,4 nm and covering the spectral range from 350 to 2500 nm. For the limnological attributes, the multivariate statistical model, Principal Component Analysis (PCA), was applied with the objective of identifying the determinants of water quality. With in situ radiance data, the spectral responses of the OLCI / Sentinel-3 sensor bands and parameterization of the regression models for remote retrieval of chlorophyll-a concentrations were simulated. 75% of the data were used for the parameterization step, and then the models were validated using the other 25%. The limnological attributes chlorophyll a, total N and total P had concentrations above the recommended limit for human supply. The waters of the Pereira de Miranda reservoir are highly trophic, that is, eutrophic. The main component analysis technique allowed the selection of three components indicating the quality of surface water, explaining 82.34% of the total variance. Variations in water quality were defined by a group of suspended solids, a group of nutrients, soluble salts and an organic group. Two- and three-band models (8 and 11) and (8, 11 and 12) with respective wavelengths of (665, 708.75 and 761.25 nm) were developed. The two- and three-band models showed coefficients of determination (R²) of 0.71 and 0.82, respectively. The models, in the validation stage, presented high determination coefficients (R²), 0.91 and 0.85, strong correlation coefficients (r), 0.95 and 0.92, and NSE of 0.85 and 0.82, respectively, for the two- and three-band models. The good performances of the models using the simulated data show the feasibility of remotely estimating chlorophyll-a concentrations in surface semi-arid reservoirs from data from the OLCI / Sentianel-3 orbital sensor.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/39848
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