Identificação de florações de algas no Lago Guaíba com uso de imagens de satélite e espectrorradiometria de campo

Abstract

A eutrofização de ambientes aquáticos continentais é um processo lento e natural, mas que tem se intensificado sobremaneira devido a influência das atividades antrópicas. Uma das consequências da eutrofização artificial são florações de algas cada vez mais frequentes e intensas. Alguns grupos de algas, como as cianobactérias, podem produzir toxinas que representam um risco para o homem e para a biota aquática e, por isso, sua floração merece atenção especial. O Lago Guaíba é um importante corpo hídrico do Estado do Rio Grande do Sul e o principal manancial do município de Porto Alegre. A sua bacia hidrográfica ocupa cerca de 30% da área do estado e os principais rios - Jacuí, Caí, Sinos e Gravataí - drenam áreas de intenso uso agrícola e industrial. No Lago Guaíba, as florações têm sido frequentes, principalmente na última década e representam um sério desafio ambiental. Neste contexto, o objetivo da presente pesquisa foi avaliar o potencial de identificação dos episódios de floração de algas no Lago Guaíba a partir da integração de dados radiométricos in situ adquiridos simultaneamente a dados limnológicos (clorofila-a, total de sólidos em suspensão, transparência da água, entre outros) e imagens de satélite. Para a obtenção dos espectros de reflectância foi utilizado o espectrorradiômetro portátil FieldSpec® HandHeld, com coleta em 16 pontos amostrais definidos a priori. Os trabalhos de campo ocorreram em março de 2012, maio de 2013 e abril de 2014. Os espectros foram correlacionados com medidas de variáveis limnológicas obtidas simultaneamente. Para a análise espaço-temporal das florações foram selecionadas 10 imagens produzidas pelos satélites Landsat 5 e 7 (sensores TM e ETM+) disponibilizadas pelo Serviço Geológico dos Estados Unidos (USGS), corrigidas para os efeitos da atmosfera e convertidas em reflectância de superfície. Estas imagens foram obtidas nos meses de verão e outono, entre os anos de 2005 e 2012, e coincidiram com as datas das florações identificadas pelo Departamento Municipal de Água e Esgotos (DMAE) do município de Porto Alegre. Três rotinas de processamento foram aplicadas às imagens: 1) o Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI); 2) o Modelo Linear de Mistura Espectral (MLME) e 3) a Análise por Componentes Principais (ACP). Durante a coleta dos espectros em campo não houve florações, mas, ainda assim, estes permitiram identificar padrões de reflectância do lago em diferentes áreas e situações climáticas, bem como a influência da clorofila-a e dos sólidos em suspensão na resposta espectral da água. Os principais resultados do processamento das imagens de satélite foram: a) o NDVI é adequado para o mapeamento da abrangência e intensidade das florações e que resultados superiores a -0,2 indicam áreas de floração; b) o MLME apresentou limitações para o mapeamento das florações relacionadas à dificuldade de obtenção de bons espectros de referência diretamente sobre as imagens, mas permitiu avaliar as variações espaciais das características da água; c) a técnica da ACP ampliou as correlações dos dados das imagens com a Chl-a e as cianobactérias em comparação ao NDVI, e a classificação nãosupervisionada das principais componentes permitiu identificar as áreas (clusters) de floração, assim como áreas onde outros componentes atuavam. Os fatores que contribuíram para o estabelecimento de florações no lago foram: menor velocidade do fluxo da água, menor profundidade da coluna d´água, menor velocidade do vento e menores índices de precipitação pluviométrica, associados à maior disponibilidade de luminosidade e oferta de nutrientes. Concluí-se que as técnicas empregadas foram adequadas para o mapeamento de florações e que análises que utilizam dados de diferentes naturezas podem incrementar as metodologias existentes e abrir novas possibilidades de identificação e monitoramento de algas.

The eutrophication of freshwater ecosystems is a slow and natural process, but that has intensified greatly because of the influence of human activity. One of the consequences of artificial eutrophication are increasingly frequent and intense algae blooms. Some genera groups of algae, and cyanobacteria can produce toxins that pose a risk to humans and aquatic biota and therefore blooms deserve special attention. The Guaiba Lake is an important water body in the State of Rio Grande do Sul and the main source of Porto Alegre city. Its basin covers about 30% of the state area and major rivers - Jacuí, Caí, Sinos and Gravataí - drain areas of intense agricultural and industrial use. In the Guaiba Lake, blooms have been frequent, especially in the last decade and represent a serious environmental challenge. In this context, the objective of this study was to evaluate the potential for identification of episodes of algal bloom in the Guaiba Lake from the integration of radiometric data in situ simultaneously acquired with limnology data (chlorophyll-a, suspended solids total, water transparency, etc.) and satellite images. To obtain the reflectance spectra a portable spectroradiometer FieldSpec® HandHeld was used, with a collection of 16 sampling points defined a priori. The fieldwork took place in March 2012, May 2013 and April 2014. The spectra were correlated with limnological variables obtained simultaneously. For the spatio-temporal analysis of the blooms 10 images produced by Landsat satellites 5 and 7 (TM and ETM+ sensors) were selected and provided by United States Geological Survey (USGS), adjusted for the effects of the atmosphere and converted to surface reflectance. These images were produced in the months of summer and fall, between the years 2005 and 2012, and coincided with the dates of the blooms identified by the Municipal Department of Water and Sewerage (DMAE) in the city of Porto Alegre. Three processing routines were applied to images: 1) Normalized Difference Vegetation Index (NDVI); 2) Linear Spectral Mixture Model (LSMM) and 3) the Analysis by Principal Component (ACP). During the collection of spectra in the field no bloom was identified, but even so it was possible to identificaty reflectance standards in different areas and climatic conditions in the Lake as well as the influence of chlorophyll-a and suspended solids in the spectral response of the water. The main results of the satellite images processing were: a) the NDVI is suitable for mapping the scope and intensity of blooms and results greater than -0.2 indicate flowering areas; b) the LSMM presented limitations for mapping the blooms related to the difficulty of obtaining good reference spectra directly on the images but allowed the evaluation of spatial variations of water features; c) the technique of ACP increased correlations of image data with Chl-a and cyanobacteria compared to NDVI, and non-supervised classification of the principal component identified in the flowering cluster areas as well as areas where other components were at play. Factors that contributed to the establishment of blooms in the lake were slower rate of water flow, the less depth of the water column, lower wind speed and lower levels of rainfall, combined with the greater availability of light and nutrient supply. It was concluded that the techniques used were suitable for mapping blooms and the analysis using data from different natures can improve existing methodologies and open new possibilities for identification and monitoring of algae.