Identificação de constituintes opticamente ativos na água do Lago Guaíba, a partir de dados de sensores orbitais e espectrorradiometria de campo

Abstract

O Lago Guaíba é um importante corpo d’água localizado na porção leste do estado do Rio Grande do Sul. É a principal fonte de abastecimento de água para a região metropolitana de Porto Alegre, além de exercer outras funções sociais primordiais, como de estocar água para usos futuros, abastecimento agrícola e industrial, navegação, entre outros. Com os recentes avanços na tecnologia de Sensoriamento Remoto, espectrorradiômetros com altíssima resolução espectral e radiométrica são cada vez mais utilizados na discriminação de diferentes elementos presentes na natureza. Paralelamente, estão os sensores orbitais que possibilitam, por meio de sua visão sinótica, ampliar a representatividade espacial dos elementos na superfície terrestre. Este trabalho tem como objetivo caracterizar as águas do Lago Guaíba, quanto as suas propriedades ópticas, a partir da integração de dados de sensoriamento remoto orbital e de espectrorradiometria de campo. Para tanto foram coletadas variáveis limnológicas (totais de sólidos em suspensão, clorofila-a, turbidez) e espectrais em 9 de fevereiro de 2015, utilizando uma rede de 25 estações de coleta sobre o Lago, e adquiridos dados complementares: precipitação pluviométrica e direção de ventos. Foi utilizada uma série temporal da banda 4, sensor OLI/Landsat-8, e estabelecida correlação entre precipitação e reflectância. Foram adquiridos espectros com o espectrorradiômetro e aplicadas técnicas de suavização, derivada e remoção do contínuo, buscando identificar os constituintes opticamente ativos que determinam as características da água. As variáveis limnológicas foram espacializadas e relacionadas com os dados espectrais por meio de correlações e modelos de dispersão. Uma imagem do sensor LISS-III/ResourceSat-2 foi utilizada para estimativa empírica dos parâmetros limnológicos. Os resultados mostraram que a precipitação de 16 dias anteriores à aquisição da imagem influência de forma significativa nas características ópticas da água em diferentes épocas do ano. A máxima reflectância da água foi na faixa espectral do verde (0,18%). As regiões onde se observou as maiores reflectâncias na série estão ligadas aos ambientes onde predominam condições de erosão ou não deposição de sedimentos finos. Regressões empíricas explicaram que 23% da reflectância em 708 nm é devida a presença de sólidos na água. A concentração de Chl-a não apresentou correlações significativas (α = 0,05) com a reflectância. A análise dos dados espectrais demonstrou que os dois métodos de derivada e remoção do contínuo apresentaram bons resultados. Observou-se o aumento das correlações após a derivação evidenciando que esta técnica aumenta o contraste espectral e assim a precisão das estimativas. A primeira derivada em 772 nm explicou 44% da variação devido ao totais de sólidos em suspensão. Já em 690 nm, a primeira derivada explicou 32% da variação na concentração de clorofila-a. Os melhores resultados foram observados nas variáveis turbidez e transparência. A partir da remoção do contínuo se verificou as maiores profundidades de bandas em comprimentos de onda mais longos. Correlações fortes foram encontradas para as variáveis turbidez e transparência (r = 0,86 e -0,86, respectivamente) na faixa de 690-750 nm. Devido à baixa concentração tanto de sólidos em suspensão quanto de clorofila-a, houve dificuldade no estabelecimento de relações fiáveis entre parâmetros espectrais e a qualidade da água do Lago Guaíba. As imagens LISS-III mostraram-se potenciais para mapear a composição da água do Lago Guaíba.

Guaíba Lake is an important body of water located in the east portion of Rio Grande do Sul. It is the main source of water supply to Porto Alegre metropolitan region, besides exercising other primary social functions such as storing water for future use, agricultural and industrial supply, shipping, among others. With the recent advancements in technology of Remote Sensing, spectroradiometers with the highest spectral and radiometric resolution are each time more used to the distinction of different elements presented in nature. In parallel, there are the orbital sensors, which allow, through it’s synoptic view, to amplify the spatial representativity of the elements on earth’s surface. This work aims to characterize the waters of Guaíba Lake- RS, in terms of its optical properties, from the data integration of remote orbital sensing and spectroradiometry of the area. To achieve this, limnologic (total of suspended solids, chlorophyll-a, and turbidity) and spectral variables were collected on February 9th 2015, by the use of a 25 station collection network on the lake, and acquired complementary data: rain fall and wind direction. One temporal series of band 4 and sensor OLI/Landsat 8 were used, and the correlation between rain falls and reflectance was established. Spectra were acquired with the spectroradiometer and smoothing, derivation and continuum removal techniques were applied in order to identify the optically active constituents which determine the characteristics of the water. The limnologic variables were spatialized and related to the spectral data by correlations and dispersion models. An image of the sensor LISS-III/ResourceSat-2 was used for the empirical estimation of the limnologic parameters. The results showed that the 16 days rain falls previous to the image acquisition influenced in a significant way in the optical characteristics of the water in different seasons of the year. The maximum reflectance of water was in the green spectral range (0, 18%). The regions where the highest reflectance in the series was observed are connected to the environments where prevail the erosion conditions or nondeposition of fine sediments. Empirical regressions explained that 23% of the reflectance in 708 nm is due to the presence of solids in the water. The concentration of Chl-a did not present significant correlations (α = 0, 05) with the reflectance. The analysis of spectral data showed that the two methods of derivation and continuum removal presented positive results. The increase of correlations after the derivation was observed, highlighting the fact that this technique increases the spectral contrast and so the estimation accuracy. The first derivation in 772 nm explained 44% of the variation in the concentration of chlorophyll-a. The best results were observed in the variables TUR and DS. From the removal of the continuum, the highest band depth was verified in longer wavelength. Strong correlations were found to the turbidity and transparency variables (r = 0,86 and -0,86, respectively) in the range of 690-750 nm. Due to low concentration of suspended solids as much as chlorophyll-a, there was difficulty in the establishment of reliable relations between the spectral parameters and the quality of water in Guaíba River. The images LISS-III showed themselves to be potentials to map Guaíba River’s composition.