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APPLICATION DE L’ALTIMÉTRIE SPATIALE À L’ÉTUDE DES PROCESSUS HYDROLOGIQUES
DANS LES ZONES HUMIDES DU BASSIN AMAZONIEN
Joecila Santos da Silva
To cite this version:
Joecila Santos da Silva. APPLICATION DE L’ALTIMÉTRIE SPATIALE À L’ÉTUDE DES PRO- CESSUS HYDROLOGIQUES DANS LES ZONES HUMIDES DU BASSIN AMAZONIEN. Planète et Univers [physics]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2010. Français. �tel-00488150�
En vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par :
Discipline ou spécialité :
Présentée et soutenue par :
Titre :
JURY
Ecole doctorale : Unité de recherche :
Directeur(s) de Thèse : Rapporteurs :
Le :
l'Université Toulouse III - Paul Sabatier
Joecila SANTOS DA SILVA Hydrologie Spatiale
26 mars 2010
Application de l’Altimétrie Spatiale à l’Étude des Processus Hydrologiques dans les Zones Humides du Bassin Amazonien
Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace (SDU2E)
Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (LEGOS UMR5566) Stéphane CALMANT, DR IRD, LEGOS, UT3; Otto CORRÊA ROTUNNO FILHO, Prof. UFRJ Augusto José PEREIRA FILHO, Prof. USP; Catherine PRIGENT, DR CNRS; Pierre HUBERT, SG AISH Président
Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Directeur de Thèse Directeur de Thèse Invité
Invité
M. Serge CHAUZY
M. Augusto José PEREIRA FILHO M. Pierre HUBERT
Mme Frédérique SEYLER
M. Manoel DE MELO MAIA NOBRE M. Webe João MANSUR
M. Stéphane CALMANT
M. Otto Corrêa ROTUNNO FILHO M. Jean Loup Guyot
M. Naziano PANTOJA FILIZOLA JUNIOR
Professeur UT3, UMR 5560 Professeur USP
Secrétaire Général AISH, UMR 7619 Directrice de Recherche IRD, S140 Professeur UFAL
Professeur UFRJ
Directeur de Recherche IRD, LEGOS, UT3 Professeur UFRJ
Directeur de Recherche IRD, LMTG, UT3
Professeur UEA
ALTIMETRIA ESPACIAL APLICADA AOS ESTUDOS DE PROCESSOS HÍDRICOS EM ZONAS ÚMIDAS DA BACIA AMAZÔNICA
Joecila Santos da Silva
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós- graduação em Engenharia Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Doutor em Ciências.
Orientadores: Otto Corrêa Rotunno Filho Stéphane Calmant
Rio de Janeiro Março 2010
COPPE/UFRJ
iii Silva, Joecila Santos da
Altimetria Espacial Aplicada aos Estudos de Processos Hídricos em Zonas Úmidas da Bacia Amazônica / Joecila Santos da Silva – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2010.
XXXVII, 279 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadores: Otto Corrêa Rotunno Filho Stéphane Calmant
Tese (doutorado) – UFRJ/COPPE/Programa de Engenharia Civil, 2010.
Referências Bibliográficas: p. 215-244
1. Altimetria Espacial. 2. Hidrologia espacial. 3. Zonas úmidas. 4. Sensoriamento remoto. 5. Bacia Amazônica. 6.
Hidrometria. I. Rotunno Filho, Otto Corrêa et al. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil. III. Título.
iv A minha família.
v
AGRADECIMENTOS
―Eu poderia suportar, embora não sem dor, que tivessem morrido todos os meus amores, mas enlouqueceria se morressem todos os meus amigos!
A alguns deles não procuro, basta me saber que eles existem.
Esta mera condição me encoraja a seguir em frente pela vida....
...mas é delicioso que eu saiba e sinta que os adoro, embora não declare e não os procure sempre...‖
Vinicius de Moraes
Esta tese é fruto do esforço de um grupo diversificado de pessoas com as quais tive o imenso prazer de conviver, compartilhando experiências pessoais e profissionais nos últimos cinco anos. Todas, de alguma forma, colaboraram em diferentes etapas do trabalho, ensinando-me e introduzindo novos conceitos, processando dados, lendo e fazendo sugestões, cuidado dos aspectos buracrático-administrativos, discutindo, aconselhando, incentivando, apoiando e, muitas vezes, simplesmente me escutando. A todas essas pessoas maravilhosas, indistintamente, que, por vontade própria ou por iniciativa minha, acabaram se envolvendo neste trabalho, expresso os meus mais sinceros agradecimentos e minha profunda gratidão. Sem vocês eu jamais teria conseguido. Muitíssimo obrigada!
Cette thèse est résultats de l'effort d'un groupe diversifié de personnes avec lesquelles j'ai eu l'immense plaisir de travailler, en partageant des expériences personnelles et professionnelles dans les cinq dernières années. Toutes ont collaboré à différentes étapes du travail: m’enseignant et corrigeant les concepts que je ne dominais pas complètement, en traitant des données, me relisant et me faisant des suggestions, s’occupant des aspects burocrático-administratifs, discutant, me conseillant, me stimulant, me soutenant et beaucoup de fois tout simplement en m’écoutant. À tous ces gens si merveilleux, indistinctement, qui volontairement ou à mon initiative, ont fini par s’impliquer dans ce travail, j’adresse ici mes plus sincères remerciements et ma profonde gratitude. Sans vous je n’aurais jamais réussi. Merci, merci beaucoup!
Em especial, gostaria de agradecer algumas pessoas e instituições.
Ao meu orientador Stéphane Calmant, por me propiciar a oportunidade de conhecer o universo fascinante da altimetria espacial. Sua paciência, sempre acreditando, incentivando e trazendo uma palavra amiga nos momentos difíceis foi essencial para que eu pudesse concluir esta tese. Por tudo que ele fez... et chaque jour un peu plus loin avec la recherche, un très grand merci.
vi Ao meu orientador Otto Corrêa Rotunno Filho, por todo o auxílio e consideração prestados; seus esforços despendidos para prover as condições ideais para a realização deste trabalho foram ilimitados, muito obrigada.
À Dra. Frédérique Seyler, por quem acumulo cada vez mais respeito, por sempre apoiar e acreditar no meu esforço, pela amizade, orientação no trabalho e conselhos na vida desde que nos conhecemos, j’adresse mes sincères remerciements.
Meus sinceros agradecimentos ao Prof. Serge Chauzy pela consideração e empenho prestados presidindo a banca de avaliação de minha tese para a Université Toulouse III. Ao Prof. Augusto José Pereira Filho, a Dra. Catherine Prigent e ao Dr. Pierre Hubert, por gentilmente aceitarem serem os relatores de minha tese para a Université Toulouse III, e a Dra. Fréderique Seyler, ao Dr. Jean Loup Guyot, ao Prof. Manoel de Melo Maia Nobre, ao Prof. Naziano Filizola e ao Prof. Webe João Mansur, por suas prestimosas avaliações e elucidativos comentários que me permitiram corrigir e aperfeiçoar a redação deste manuscrito de tese.
Ao Dr. Jean Loup Guyot, por me acolher no renomado grupo de pesquisadores do IRD e compartilhar seus conhecimentos sobre a Amazônia, que me foram muito valiosos, tous mes remerciements.
Ao Prof. Afonso Augusto Magalhães de Araujo, pelas sugestões, apoio e motivação para me ajudar a entender alguns conceitos de modelagem hidrológica e pelas enriquecedoras discussões em que conversamos sobre hidrologia.
A toda equipe do IRD, do ORE-HYBAM, do CTOH e FOAM pelo apoio e encorajamento, em especial a Dr. Emmanuel Roux, a Dr. Gerrard Cochonneau e a Dr. Fernando Niño, pela ajuda inestimável proporcionada pelo código computacional VALS e extração dos dados altimétricos, j’adresse mes sincères remerciements.
Ao Dr. Jean François Cretaux e Dra. Muriel Berge Nguyen, pela amizade e pelo precioso apoio no tratamento das imagens MODIS, permitindo meu acesso aos computadores do CNES, je vous remercie très sincèrement.
À COPPE/UFRJ, ao LMTG/UT3 e ao LEGOS/UT3, seus professores, pesquisadores e funcionários, pela oportunidade de estudos, utilização de suas instalações e pela carinhosa atenção dispensada.
vii Às instituições CPRM, ANA e UnB, com seus funcionários e professores, que me acolheram com total apoio em suas intalações, pelo incentivo e pelas sugestões muito proveitosas; sou-lhes muito grata.
Ao CTOH-LEGOS, ESA, NASDA-GRFM, EOS-NASA, ANA, ORE-HIBAM, CPRM, IBGE e GRASS Development Team, por gentilmente disponibilizarem os dados altimétricos e in situ, imagens, mapas e softwares utilizados nesta tese.
Não poderia também deixar de registrar minha gratidão ao Institut de Recherche pour le Développement – IRD, ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq, à Fundação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES e em especial aos projetos CAPES/COFECUB n° 516/05, CTHIDRO 037/2006 – CNPq Curso de Extensão em Hidrometria, PROSUL – Edital 05/2007, TOSCA, Hydrologie Spacial e Dinâmica Fluvial IRD-CPRM, pelo suporte financeiro, pelas bolsas de estudos concedidas e pelo conhecimento proporcionado para o desenvolvimento desta pesquisa.
Aos amigos Marie Claude, Wojciech, Maria, Mauro, Sylvain, Frappart, Waldo e Marie Dominique, por compartinharem generosamente comigo o estresse natural decorrente do desenvolvimento de uma tese e pelos agradáveis momentos juntos em Toulouse, je vous remercie infiniment.
Aos amigos da COPPE, Katia, Vasconcelos, Rosilene, Sibia e André, pelo agradável convívio e pelas estimulates conversas sobre hidrologia.
Querida Carol, minha passagem por Toulouse não seria tão maravilhosa sem você, muchas gracias por todos los momentos que hemos compartido, sueños y anhelos, secretos, risas y lágrimas, y sobre todo, amistad.
Um agradecimento muito especial a meus queridos pais, irmãs, irmãos, sobrinhos e sobrinhas (lindos), cunhados e cunhadas, pelo apoio, carinho, alegria contagiante que trazem no coração e que nunca me deixaram desanimar diante dos momentos de dificuldade. Ao meu irmão Amarildo, pelas ricas conversas que muito me estimularam e indiretamente contribuíram ao longo da realização desta tese.
viii Pouco conhecimento faz com que as criaturas se sintam orgulhosas.
Muito conhecimento, que se sintam humildes.
É assim que as espigas sem grãos erguem desdenhosamente a cabeça para o céu, enquanto que as cheias a baixam para a terra, sua mãe‖.
Leonardo da Vinci
ix Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ e à Université Toulouse III – Paul Sabatier como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)
ALTIMETRIA ESPACIAL APLICADA AOS ESTUDOS DE PROCESSOS HÍDRICOS EM ZONAS ÚMIDAS DA BACIA AMAZÔNICA
Joecila Santos da Silva
Março/2010
Orientadores: Otto Corrêa Rotunno Filho Stéphane Calmant
Programa: Engenharia Civil
Esta tese propõe o desenvolvimento de uma metodologia de utilização dos dados de altimetria espacial para análise da variabilidade espaço-temporal dos processos hídricos nas zonas úmidas da bacia Amazônica. O estudo de caso do trabalho abrangeu uma extensiva validação de dados altimétricos dos satélites ENVISAT e ERS-2 em diversos corpos hídricos na Amazônia, identificando-se a carência de trabalhos publicados sobre o assunto em áreas continentais. Utilizou-se um procedimento que permite uma seleção refinada em 3D das medidas altimétricas e as correções do efeito de afastamento do nadir. Esse método permitiu melhorar sensivelmente a qualidade das séries de nível de água. As séries temporais altimétricas foram, então, acopladas com imagens MODIS para o estudo das variações de volumes armazenados nas zonas úmidas, bem como usadas para análise da variabilidade espaço-temporal na escala das sub-bacias. Os resultados da validação entre traços no ponto de cruzamento ou com dados in situ denotam erros médios quadráticos que variaram de 12 a 226 cm para o satélite ENVISAT (algoritmos Ice-1 e Ice-2) e de 32 a 197 cm para o satélite ERS-2 (algoritmo Ice-2). Essas séries temporais destacam a grande variabilidade espaço-temporal do ciclo hidrológico, de acordo com a conexão e a posição relativa entre os cursos de água principais, os lagos e os alagados interfluviais. No que tange à análise integrada de informações altimétricas e de imagens MODIS, foi possível evidenciar a sazonalidade do ciclo hidrológico em zonas úmidas via informações espaciais.
x Résumé de la Thèse présentée à la COPPE/UFRJ et à l‟Université Toulouse III – Paul Sabatier comme partie des conditions nécessaire pour obtenir le grade de Docteur en Science (D.Sc.)
APPLICATION DE L‟ALTIMÉTRIE SPATIALE À L'ÉTUDE DES PROCESSUS HYDROLOGIQUES DANS LES ZONES HUMIDES DU BASSIN AMAZONIEN
Joecila Santos da Silva Mars/2010
Directeurs de thèse: Otto Corrêa Rotunno Filho Stéphane Calmant
Programme: Ingénierie Civile
Cette thèse propose le développement d'une méthodologie d‟utilisation des données d'altimétrie satellitaire radar pour l‟analyse de la variation spatio-temporelle des processus hydriques dans les zones humides du bassin Amazonien. Etant donné le faible nombre de travaux publiés sur le sujet pour les eaux continentales, ce travail a inclus une validation extensive des données d‟altimétrie satellitaire des missions ENVISAT et ERS-2, sur divers objets du bassin Amazonien. Nous avons utilisé une méthode originale permettant une sélection fine en 3D des mesures et l‟application de corrections de mesures inclinées. Cette méthode a permis d'améliorer sensiblement la qualité des séries de niveau d'eau. Les séries temporelles altimétriques ont été alors couplées avec des images MODIS pour l'étude des variations de volumes stockés dans les zones humides et utilisées pour analyser la variabilité spatio-temporelle du cycle hydrologique à l'échelle des sous-bassins. Du pointde vue de l‟altimétrie satellitaire.
Les validations conduisent avec des traces entre elles au niveau de points de croisement ou des données in situ résultent en RMS qui varient de 12 à 226 cm pour ENVISAT (Ice-1 et Ice-2) et de 32 à 197 cm pour ERS-2 (Ice-2). Ces séries temporelles mettent en évidence la grande variabilité spatiale du cycle hydrologique, selon la connexion et la position relative entre les lits principaux, les lacs et les marécages. En ce qui concerne l'analyse intégrée d‟altimétrie et d'images MODIS, elle a montre qu‟il est possible de mettre en évidence la saisonnalité du cycle hydrique dans des zones humides a partir d‟informations satellitaire.
xi Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ and Universté Toulouse III – Paul Sabatier as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)
APPLICATION OF SATELLITE RADAR ALTIMETRY TO THE STUDY OF HYDROLOGICAL PROCESSES IN THE WETLANDS OF THE AMAZON BASIN
Joecila Santos da Silva March/2010
Advisors: Otto Corrêa Rotunno Filho Stéphane Calmant
Department: Civil Engineering
This thesis proposes the development of a methodology to analyze the space and time variability of the hydrologic processes in the Amazon basin wetlands by radar altimetry. Given the little number of studies dedicated to the validation of these data for continental water, this work included an extensive validation of the data of the missions ENVISAT and ERS-2 on various objects of the Amazon basin. We have used an original method allowing a fine selection in 3D of measurements and application of dedicated corrections such as the off-nadir effect. This method improved the quality time of water stages times series. The altimetry time series were then coupled with MODIS images to study the variations of volumes stored in the wetlands and ware used to analyze the space and time variability of the hydrological cycle at the catchment scale. Validation between altimetry series at crossovers or between altimetry series and gauges result in RMS ranging between 12 to 226 cm for ENVISAT (Ice-1 and Ice-2) and from 32 to 197 cm for ERS-2 (Ice-2). These time series highlight the geographical variations of the hydrological cycle according to the connections and relative position of the main river stems, the lakes and the swamps. With the analyses of integrated altimetry and MODIS images, it is shown that it is possible to describe the seasonal variation of the hydrological cycle in wetlands starting using satellite measurements.
xii
ÍNDICE
ÍNDICE DE FIGURAS ____________________________________________________________ XXII ÍNDICE DE TABELAS__________________________________________________________ XXVII LISTA DE ABREVIATURAS _____________________________________________________ XXIX LISTA DE SÍMBOLOS__________________________________________________________ XXXV
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO GERAL _______________________________________ 1 1.1. CONTEXTO E PROBLEMÁTICA _____________________________________ 1 1.2. ORIGEM E RELEVÂNCIA ___________________________________________ 4 1.3. IDÉIAS DEFENDIDAS NESTA TESE _________________________________ 7 1.4. OBJETIVOS E METAS _____________________________________________ 9 1.5. FERRAMENTAS UTILIZADAS ______________________________________ 10 1.6. ESCOPO DA TESE ________________________________________________ 11
SEÇÃO I CONSIDERAÇÕES TÉORICAS E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ___________________________________________________ 13
CAPÍTULO 2 AS ÁGUAS CONTINENTAIS ________________________________ 14 2.1. O CICLO HIDROLÓGICO E AS ZONAS ÚMIDAS _____________________ 14 2.1.1 O CICLO HIDROLÓGICO __________________________________________ 14 2.1.2 AS ÁGUAS CONTINENTAIS _______________________________________ 16
xiii 2.1.2.1 AS ZONAS ÚMIDAS _______________________________________________ 16 2.1.2.2 AS ZONAS ÚMIDAS DO SOLO _____________________________________ 17 2.1.2.3 AS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS ______________________________________ 17 2.1.2.4 OS RIOS _________________________________________________________ 17 2.1.2.5 AS PLANÍCIES INUNDÁVEIS ______________________________________ 18 2.1.2.6 OS SISTEMAS LACUSTRES _______________________________________ 18 2.2. IMPORTÂNCIA DAS ZONAS ÚMIDAS _______________________________ 19
2.3. FRAGILIDADE DO SISTEMA DE MONITORAMENTO DOS RECURSOS HÍDRICOS CONTINENTAIS ________________________________________ 20
2.4. MONITORAMENTO DOS HIDROSSISTEMAS CONTINENTAIS POR SATÉLITES ______________________________________________________ 24 2.4.1. EVOLUÇÃO DOS DADOS ESPACIAIS ______________________________ 27 2.4.1.1. DE 1970 AO FINAL DOS ANOS 90 _________________________________ 27 2.4.1.2. AS TENDÊNCIAS ATUAIS _________________________________________ 28 2.4.2. CLASSIFICAÇÃO DAS IMAGENS DE SENSORIAMENTO REMOTO ____ 29
2.4.3. APLICAÇÕES DO SENSORIAMENTO REMOTO EM HIDROSSISTEMAS CONTINENTAIS __________________________________________________ 31 2.4.3.1. SISTEMAS PASSIVOS _____________________________________________ 31 2.4.3.2. SISTEMAS ATIVOS _______________________________________________ 32 2.4.3.3. OBTENÇÃO DE NÍVEL DE ÁGUA, VOLUME E VAZÃO _______________ 34 2.4.3.3.1. MÉTODO DIRETO ________________________________________________ 34 2.4.3.3.2. MÉTODO INDIRETO ______________________________________________ 35 2.5. CONSIDERAÇÕES ________________________________________________ 36
xiv CAPÍTULO 3 ALTIMETRIA ESPACIAL ___________________________________ 38 3.1. PRINCÍPIO DE ALTIMETRIA ESPACIAL _____________________________ 39 3.2. AS DIFERENTES MISSÕES DA ALTIMETRIA ESPACIAL _____________ 41 3.2.1. OS PRECURSORES _______________________________________________ 42 3.2.2. OS ANTECESSORES ______________________________________________ 43 3.2.2.1. MISSÃO ALTIMÉTRICA SEASAT ___________________________________ 43 3.2.2.2. MISSÃO ALTIMÉTRICA GEOSAT___________________________________ 44 3.2.2.3. MISSÕES ALTIMÉTRICAS ERS-1 E ERS-2 __________________________ 45 3.2.3. AS MISSÕES ATUAIS _____________________________________________ 47 3.2.3.1. MISSÃO ALTIMÉTRICA TOPEX/POSÉÏDON _________________________ 47 3.2.3.2. MISSÃO ALTIMÉTRICA JASON-1 __________________________________ 48 3.2.3.3. MISSÃO ALTIMÉTRICA ENVISAT __________________________________ 49 3.2.3.4. MISSÃO ALTIMÉTRICA ICESAT ___________________________________ 51 3.2.3.5. MISSÃO ALTIMÉTRICA GFO ______________________________________ 51 3.2.3.6. MISSÃO ALTIMÉTRICA JASON-2 __________________________________ 52 3.2.4. OS SUCESSORES ________________________________________________ 53 3.2.4.1. MISSÃO ALTIMÉTRICA CRYOSAT-2 _______________________________ 53 3.2.4.2. MISSÃO ALTIMÉTRICA ALTIKA ____________________________________ 54 3.2.4.3. SÉRIE DE SATÉLITES SENTINEL __________________________________ 55 3.2.4.5. MISSÃO ALTIMÉTRICA SWOT _____________________________________ 57 3.3. A MEDIDA ALTIMÉTRICA _________________________________________ 58
xv 3.3.1. PRINCÍPIO DA MEDIDA ALTIMÉTRICA _____________________________ 58 3.3.2. ALTURA ALTIMÉTRICA EM HIDROSSISTEMAS CONTINENTAIS______ 61
3.4. AS CORREÇÕES APLICADAS NA MEDIDA ALTIMÉTRICA EM HIDROSSISTEMAS CONTINENTAIS ________________________________ 62 3.4.1. AS CORREÇÕES AMBIENTAIS ____________________________________ 63 3.4.1.1. CORREÇÃO IONOSFÉRICA _______________________________________ 63 3.4.1.2. CORREÇÃO DA TROPOSFERA SECA ______________________________ 64 3.4.1.3. CORREÇÃO DA TROPOSFERA ÚMIDA _____________________________ 64 3.4.2. CORREÇÕES GEOFÍSICAS ________________________________________ 64 3.4.2.1. CORREÇÃO DA MARÉ SÓLIDA ____________________________________ 64 3.4.2.2. CORREÇÃO DA MARÉ POLAR _____________________________________ 65 3.4.3. COREÇÕES INSTRUMENTAIS DA ÓRBITA DOS SATÉLITES _________ 65 3.5. TRATAMENTO DOS ECOS RADAR _________________________________ 67 3.5.1. PRINCÍPIO DO TRATAMENTO DOS ECOS DE RADAR _______________ 67 3.5.2. FORMA DE ONDA ALTIMÉTRICA NO OCEANO _____________________ 68
3.5.3. FORMA DE ONDA ALTIMÉTRICA EM HIDROSSISTEMAS CONTINENTAIS _________________________________________________________________ 69
3.5.4. PRINCIPAIS ALGORITMOS DESENVOLVIDOS PARA O ESTUDO EM HIDROSSISTEMAS CONTINENTAIS ________________________________ 72 3.5.4.1. MÉTODO DE LIMITE ______________________________________________ 72 3.5.4.1.1. ALGORITIMO ICE-1 _______________________________________________ 72 3.5.4.1.2. ALGORITMO SEA ICE _____________________________________________ 73 3.5.4.2. MÉTODO ANALÍTICO _____________________________________________ 74 3.5.4.2.1. ALGORITIMO ICE-2 _______________________________________________ 74
xvi 3.5.4.3. MÉTODOS DE RECONHECIMENTO DAS FORMAS DE ONDA ________ 75 3.6. LIMITAÇÕES DA ALTIMETRIA EM HIDROSSISTEMAS CONTINENTAIS 76 3.6.1. LIMITAÇÕES DA PRECISÃO DA MEDIDA ALTIMÉTRICA _____________ 77 3.6.1.1. LIMITAÇÕES RELACIONADAS À FORMA DE ONDA _________________ 77 3.6.2. LIMITAÇÕES DA AMOSTRAGEM DOS DADOS ______________________ 78 3.6.2.1. PERDA DA ANCORAGEM DO ALTÍMETRO __________________________ 78
3.7. TRATAMENTOS DA MEDIDA ALTIMÉTRICA EM HIDROSSISTEMAS CONTINENTAIS __________________________________________________ 80 3.7.1. EFEITO DE AFASTAMENTO DO NADIR (OFF-NADIR) ________________ 80 3.7.2. DECLIVIDADE ___________________________________________________ 84
3.8. MONITORAMENTO DE NÍVEIS DE ÁGUAS PELA ALTIMETRIA ESPACIAL NA REGIÃO AMAZÔNICA _________________________________________ 85 3.9. CONSIDERAÇÕES ________________________________________________ 87
SEÇÃO II MATERIAIS E MÉTODOS ____________________________ 89
CAPÍTULO 4 METODOLOGIA GERAL ____________________________________ 90
4.1. EXPLORAÇÃO DAS MEDIDAS ALTIMÉTRICAS EM HIDROSSITEMAS CONTINENTAIS __________________________________________________ 92 4.1.1. EXTRAÇÃO GEOGRÁFICA DAS MEDIDAS ALTIMÉTRICAS __________ 92 4.1.2. TRATAMENTO DOS DADOS _______________________________________ 95 4.1.2.1. ALTURA DO NÍVEL DE ÁGUA _____________________________________ 95 4.1.2.2. CORREÇÕES DO EFEITO DE AFASTAMENTO DO NADIR (OFF-NADIR) 96 4.1.3. ELABORAÇÃO DAS ESTAÇÕES VIRTUAIS _________________________ 97
xvii 4.1.4. SÉRIES TEMPORAIS DE ALTURA DE ÁGUA ________________________ 98
4.1.5. VALIDAÇÃO DA METODOLOGIA PARA ELABORAÇÃO DAS ESTAÇÕES VIRTUAIS ________________________________________________________ 99 4.2. VALIDAÇÃO DOS DADOS ALTIMÉTRICOS ________________________ 100 4.2.1. SÉRIES TEMPORAIS ALTIMÉTRICAS _____________________________ 100 4.2.1.1. VALIDAÇÃO INTERNA NOS PONTOS DE CRUZAMENTO ____________ 100
4.2.1.2. VALIDAÇÃO EXTERNA COMPARAÇÃO DIRETA COM ESTAÇÕES FLUVIOMÉTRICAS ______________________________________________ 101 4.3. APLICAÇÕES HIDROLÓGICAS EM RIOS __________________________ 101
4.3.1. NIVELAMENTO DE ESTAÇÕES FLUVIOMÉTRICAS COM DADOS ALTIMÉTRICOS _________________________________________________ 101
4.3.2. ESTAÇÕES FLUVIOMÉTRICAS INSTALADAS ENTRE DOIS TRAÇOS DO SATÉLITE – NIVELAMENTO NULL-SLOPE _________________________ 102 4.4. APLICAÇÕES HIDROLÓGICAS EM ZONAS ÚMIDAS ________________ 102
4.4.1. ACOPLAMENTO DOS DADOS ALTIMÉTRICOS COM IMAGENS DE SENSORIAMENTO REMOTO _____________________________________ 102 4.4.1.1. TRATAMENTOS DAS IMAGENS MODIS ___________________________ 102 4.4.1.1.1. PROCESSAMENTO DIGITAL DAS IMAGENS _______________________ 102 4.4.1.1.2. CLASSIFICAÇÃO DAS IMAGENS _________________________________ 105
4.4.1.1.3. COMPOSIÇÃO DAS BANDAS DERIVADAS DO CÁLCULO DOS ÍNDICES NDVI E EVI. _____________________________________________________ 105
4.4.1.1.4. COMPARAÇÃO DOS ÍNDICES NDVI E EVI PARA CLASSIFICAÇÃO DAS IMAGENS _______________________________________________________ 106 4.4.1.1.5. GERAÇÃO DAS IMAGENS CLASSIFICADAS _______________________ 107 4.4.1.1.6. SAZONALIDADE DO VOLUME ESTOCADO ________________________ 107
xviii 4.4.2. VARIAÇÕES ESPAÇO-TEMPORAIS DE NÍVEIS DE ÁGUAS EM ZONAS ÚMIDAS ________________________________________________________ 108 4.5. BASE DE DADOS ________________________________________________ 108 4.5.1. DADOS ALTIMÉTRICOS __________________________________________ 108 4.5.2. DADOS FLUVIOMÉTRICOS _______________________________________ 109 4.5.3. IMAGENS _______________________________________________________ 109 4.5.3.1. IMAGENS JERS-1 SAR ___________________________________________ 109 4.5.3.2. IMAGENS MODIS ________________________________________________ 111 4.6. DADOS COMPLEMENTARES _____________________________________ 115 4.6.1. TIPO DO SOLO __________________________________________________ 115 4.6.2. COBERTURA VEGETAL __________________________________________ 116 4.6.3. REDE DE DRENAGEM E ALTITUDE _______________________________ 116
SEÇÃO III RESULTADOS E DISCUSSÕES ____________________ 117
CAPÍTULO 5 ESTUDO DE CASO BACIA AMAZÔNICA ___________________ 118 5.1. DESCRIÇÃO DA BACIA AMAZÔNICA _____________________________ 118 5.2. GEOMORFOLOGIA ______________________________________________ 120 5.3. CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS _________________________________ 123 5.4. REGIME HIDROLÓGICO _________________________________________ 126 5.4.1. VARIAÇÃO DA ALTURA DA LÂMINA DE ÁGUA ____________________ 128 5.4.2. VARIAÇÃO DA VAZÃO ___________________________________________ 129 5.5. VEGETAÇÃO ____________________________________________________ 132
xix 5.6. SOLO ___________________________________________________________ 132 CAPÍTULO 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES ___________________________ 133
6.1. TRATAMENTOS DAS MEDIDAS ALTIMÉTRICAS EM HIDROSSITEMAS CONTINENTAIS _________________________________________________ 133
6.1.1. CORREÇÕES DO EFEITO DE AFASTAMENTO DO NADIR (OFF-NADIR) ________________________________________________________________ 133 6.1.2. ESTAÇÕES VIRTUAIS____________________________________________ 137
6.1.3. VALIDAÇÃO DA METODOLOGIA PARA ELABORAÇÃO DAS ESTAÇÕES VIRTUAIS _______________________________________________________ 144 6.1.4. CONSIDERAÇÕES _______________________________________________ 147 6.2. VALIDAÇÃO DOS DADOS ALTIMÉTRICOS ________________________ 148 6.2.1. VALIDAÇÃO INTERNA PONTOS DE CRUZAMENTO ________________ 148 6.2.2. VALIDAÇÃO EXTERNA __________________________________________ 153
6.2.2.1. ESTAÇÕES FLUVIOMÉTRICAS INSTALADAS ABAIXO DO TRAÇO DO SATÉLITE _______________________________________________________ 154 6.2.2.2. ESTAÇÕES FLUVIOMÉTRICAS INSTALADAS DISTANTE DO TRAÇO 157 6.2.3. CONSIDERAÇÕES _______________________________________________ 163
6.3. APLICAÇÕES HIDROLÓGICAS DOS DADOS ALTIMÉTRICOS EM RIOS ________________________________________________________________ 165
6.3.1. NIVELAMENTO DE ESTAÇÕES FLUVIOMÉTRICAS COM DADOS ALTIMÉTRICOS _________________________________________________ 165
6.3.2. ESTAÇÕES FLUVIOMÉTRICAS INSTALADAS ENTRE DOIS TRAÇOS DO SATÉLITE NIVELAMENTO COM DECLIVIDADE NULA (NULL-SLOPE) 166
6.3.3. COMPARAÇÃO ENTRE MÉTODOS DE NIVELAMENTO DE ESTAÇÕES FLUVIOMÉTRICAS ______________________________________________ 171 6.3.4. CORREÇÃO DE INCOSISTÊNCIA DE REGISTRO EM ESTAÇÕES FLUVIOMÉTRICAS ______________________________________________ 172
xx 6.3.5. CONSIDERAÇÕES _______________________________________________ 174
6.4. APLICAÇÕES HIDROLÓGICAS DOS DADOS ALTIMÉTRICOS EM ZONAS ÚMIDAS ________________________________________________________ 175
6.4.1. ACOPLAMENTO DOS DADOS ALTIMÉTRICOS COM IMAGENS DE SENSORIAMENTO REMOTO _____________________________________ 175 6.4.1.1. SAZONALIDADE DO VOLUME DE ÁGUA ARMAZENADO ___________ 175 6.4.1.1.1. LAGO JANAUACÁ _______________________________________________ 176 6.4.1.1.2. LAGO GRANDE DE MONTE ALEGRE ______________________________ 181 6.4.1.1.3. LAGO CURUPIRA ________________________________________________ 184 6.4.1.1.4. ALAGADO INTERFLUVIAL CAAPIRANGA __________________________ 187 6.4.1.2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA ZONA ÚMIDA ____________________ 190 6.4.1.3. CONSIDERAÇÕES _______________________________________________ 191
6.4.2. RELAÇÃO ENTRE RIO - PLANÍCIE DE INUNDAÇÃO - LAGOS E ENTRE BACIAS _________________________________________________________ 193 6.4.2.1. RELAÇÃO ENTRE RIO E SUA PLANÍCIE DE INUNDAÇÃO ___________ 193 6.4.2.1.1. RIO GUAPORÉ __________________________________________________ 194 6.4.2.1.2. RIO BRANCO ___________________________________________________ 195 6.4.2.1.3. RIO AMAZONAS _________________________________________________ 198 6.4.2.2. RELAÇÃO ENTRE RIO E LAGOS __________________________________ 201 6.4.2.3. RELAÇÃO ENTRE BACIAS _______________________________________ 203 6.4.2.4. CONSIDERAÇÕES _______________________________________________ 207
SEÇÃO IV CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES _______________ 209
xxi CAPÍTULO 7 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ______________________ 210 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ________________________________________________ 215
ANEXOS_________________________________________________________245
ANEXO A – RÉSUMÉ ÉTENDU __________________________________________ 246xxii
ÍNDICE DE FIGURAS
2.1 Evolução do número de dados das estações de descarga líquida
mundial registrados na base de dados do GRDC entre 1900 e 2009 21 2.2 Distribuição mundial da disponibilidade dos dados hidrológicos em
janeiro de 2010
22
2.3 Primeiro satélite artificial lançado em 4 de Outubro de 1957 pela União Soviética. Sputnik em russo significa “companheiro de estrada”
25
2.4 Espectro eletromagnético dividido em regiões ou intervalos espectrais
26
2.5 Transmissividade percentual da atmosfera terrestre 27 3.1 Carta topográfica da calota polar da Antártica 40 3.2 Cobertura espacial das missões ERS-ENVISAT em azul e
Topex/Poséïdon-JASON em amarelo na bacia Amazônica 41
3.3 Satélite Skylab 43
3.4 Satélite GEOS3 44
3.5 Satélite Seasat 44
3.6 Satélite Geosat 44
3.7 Satélite ERS-1 46
3.8 Satélite ERS-2 46
3.9 Satélite TOPEX/Poséïdon 47
3.10 Satélite Jason1 49
3.11 Satélite ENVISAT 50
312 Satélite ICESat 51
3.13 Satélite GFO 52
3.14 Satélite Jason2 53
3.15 Satélite Cryosat 54
3.16 Satélite SRAL 55
3.17 Satélite Sentinel3 56
xxiii
3.18 Satélite HY2 57
3.19 Satélite SWOT 57
3.20 O princípio da altimetria espacial em meio oceânico 58 3.21 Ondulações do geóide terrestre determinada a partir da análise dos
satélites 59
3.22 Formação do sinal do altímetro sob uma superfície ideal plana 60 3.23 Formação do sinal do altímetro sob uma superfície irregular 61 3.24 Princípio da medida altimétrica em hidrossistemas continentais 62
3.25 Prétratamentos dos dados altimétricos 63
3.26 Erros das órbita nas missões altimétricas 66
3.27 Extração dos parâmetros da forma de onda em domínio oceânico 68 3.28 Formas de onda sobre diferentes planos da água 70
3.29 Formas de onda em águas continentais 71
3.30 Princípio do algoritmo Ice-1 73
3.31 Princípio do algoritmo Sea Ice 74
3.32 Forma de onda teórica procurada pelo algoritmo Ice-2 74 3.33 Exemplo de classes definidas pelo projeto PISTACH para aplicação
da técnica de reconhecimento de forma nas FOs do JASON2 76
4.34 Princípio do algoritmo Ice3 76
4.35 Série temporal altimétrica para o traço O63 dos satélites T/P (Ice-1) e JASON2 (Ice-3) que cruza o rio Negro em sua foz quando se junta com o rio Solimões para formarem o rio Amazonas
78
3.36 Exemplos de efeito off-nadir em perfis altimétricos em grandes corpos da água
82
3.37 Exemplo do efeito off-nadir dobro sob o traço 207 do satélite ENVISAT ao cruzar o lago Rocagua, Peru
83
3.38 Representação esquemática do erro devido à declividade para uma
superfície com declividade 84
4.1 Fluxograma simplificado da metodologia proposta 91 4.2 Tratamentos sucessivos aplicados às medidas extraídas da base de
dados do CTOH 95
4.3 Representação esquemática do efeito de afastamento ao nadir (off-
nadir) 97
xxiv
4.4 Satélite TERRA 111
4.1 Localização da bacia Amazônica objeto deste estudo e seus principais rios
120
5.2 Precipitação anual na bacia Amazônica 125
5.3 Distribuição espacial e temporal da precipitação na bacia Amazônica em porcentagem
126
5.4 Variação da amplitude da altura da lâmina de água na bacia Amazônica
129
5.5 Variabilidade reginal e sazonal na bacia Amazônica 130 5.6 Altura da lâmina de água dos rios Solimões e Amazoonas para o
ano de 1985
131
6.1 Exemplo de perfils hidrológicos afetados pelo problema de
afastamento em relação ao nadir no alto rio Negro, sob o traco 078
135
6.2 Segmento dos perfils hidrológicos utilizados para correção do efeito
off-nadir 136
6.3 Criação da estação virtual sobre o traço 650 do satélite ENVISAT
através do programa VALS GRASS 138
6.4 Criação da estação virtual sobre o traço 650 do satélite ENVISAT através do programa VALS Tool
139
6.5 Estações virtuais, extraídas do segmento do traço do satélite T/P (Ice-1) nas proximidades de Manaus
140
6.6 Bacia Amazônica área com as estações virtuais 141
6.7 Estação virtual no lago Curupira 142
6.8 Séries temporais altimétricas do lago Curupira 143 6.9 Limitações para extração das estações virtuais 146 6.10 Cruzamento dos traços 106 e 149 dos satélites ERS-2 e ENVISAT,
no rio Pardo, na bacia do rio Negro
150
6.11 Série temporal altimétrica dos satélites ERS-2 e ENVISAT, no rio Unini, afluente do rio Negro
151
6.12 Série temporal altimétrica do satélite ENVISAT (Ice-1), nos lagos Rocaguado e Guaporé
152
6.13 Série temporal altimétrica dos satélites ERS-2 e ENVISAT, nos rios
Amazonas, Solimões e Itapará 153
6.14 Regressões lineares quando as estações fluviométricas se
encontram instaladas abaixo do traço do satélite 155
xxv 6.15 Regressões lineares quando as estações fluviométricas se
encontram instaladas entre 2 e 30 km do traço do satélite 159 6.16 Histograma das diferenças de RMS entre as séries altimétricas e in
situ 162
6.17 Nivelamento das estações insitu com declividade nula entre os traços do satélite
170
6.18 Series temporais de altura de água da estação in situ de Santa Maria do Boiaçu nivelada diretamento por GPS e do satélite ENVISAT (Ice-1)
171
6.19 Series temporais de nível de água da estação in situ de Itacoatiara, no rio Amazonas e do satélite ENVISAT (Ice-1), no ponto de cruzamento dos traços 063 e 478
174
6.20 Lago Janauacá 177
6.21 Correções de inconsitências na serie temporal in situ do lago
Janauacá 178
6.22 Modelos de co-relação superfície-nível de água do lago Janauacá para os anos de 2001 a 2008
179
6.23 Superfícies calculadas através do modelo superfície-nível de água no lago Janauacá para os anos de 2001 a 2008
180
6.24 Sazonalidade do volume de água armazenado no lago Janauacá para os anos de 1995 a 2008
181
6.25 Lago Grande de Monte Alegre 182
6.26 Séries temporais resultantes da classifição das imagens MODIS MOD09A1 para o lago Grande de Monte Alegre
183
6.27 Modelo de co-relação superfície-nível de água do lago Grande de Monte Alegre para os anos de 2001 a 2008
183
6.28 Sazonalidade do volume de água armazenado no lago Grande de
Monte Alegre para os anos de 1995 a 2008 184
6.29 Lago Curupira 185
6.30 Séries temporais resultantes da classifição das imagens MODIS MOD09A1 para o lago Curupira
186
6.31 Modelo de co-relação superfície-nível de água do lago Curupira
para os anos de 2001 a 2008 186
6.32 Sazonalidade do volume de água armazenado no lago Curupira para os anos de 1995 a 2008
187
6.33 Alagado interfluvial Caapiranga 188
xxvi 6.34 Séries temporais resultantes da classifição das imagens MODIS
MOD09A1 para o alagado interfluvial Caapiranga 189 6.35 Modelo de co-relação superfície-nível de água do alagado inerfluvial
Caapiranga para os anos de 2001 a 2008
189
6.36 Sazonalidade do do volume de água armazenado no alagado interfluvial Caapiranga para os anos de 1995 a 2008
190
6.37 Corte transversal dos rios Madre de Dios e Beni, e dos Llanos de Mojos de noroeste a sudeste
191
6.38 Comparação entre o curso principal e a planície de inundação do
rio Gauporé 195
6.39 Comparação entre o curso principal e a planície de inundação do
rio Branco 197
6.40 Perfil de elevação das zonas úmidas em relação ao vale fluvial da
bacia de rio de Branco 198
6.41 Comparação entre o curso principal e a planície de inundação do
rio Amazonas 200
6.42 Séries temporais ao longo dos traços 063 e 478 200 6.43 Perfil de elevação das zonas úmidas em relação ao vale fluvial do
rio Amazonas na foz do rio Madeira 201
6.44 Comparação entre o curso principal zonas úmidas do rio Guaporé 202 6.45 Comparação entre as zonas úmidas e os vales fluviais nas bacias
dos rios Negro, Solimões e Madeira
205
6.46 Perfil de elevação das zonas úmidas em relação aos vales fluviais
dos rios Branco, Negro, Solimões e Madeira 206
6.47 Relação entre rios na escala da bacias hidrográficas 207
xxvii
ÍNDICE DE TABELAS
3.1 Bandas de microondas utilizadas pelos satélites radar 39
4.1 Parâmetros extraídos para o satélite GFO 92
4.2 Parâmetros extraídos para o satélite ERS-1 e 2 93 4.3 Parâmetros extraídos para o satélite ENVISAT 93
4.4 Parâmetros extraídos para os satélites T/P 94
4.5 Características das imagens MOD09A1 do sensor MODIS 103 4.6 Principais características do satélite JERS-1 110 4.7 Principais características do satélite TERRA 111 4.8 Principais aplicações dos sensores do satélite TERRA 112 4.9 Principais características do sensor MODIS do satélite TERRA 113 4.10 Aplicações das bandas espectrais do sensor MODIS do satélite
TERRA 114
4.11 Características das imagens do produto MODIS MOD09A1 115 4.12 Características das imagens do produto MODIS MOD13A1 115
5.1 Classificação das águas da Amazônia 127
6.1 Diferença de RMS entre os pontos de cruzamentos com um curto
intervalo de tempo de revisita do satélite 149
6.2 Comparação dos pontos de cruzamentos dos traços dos satélites 152 6.3 Estatística das comparações com as estações fluviométricas
instaladas abaixo do traço do satélite 156
6.4 Estatística das comparações quando as estações fluviométricas se
encontram instaladas entre 2 e 30 km do traço do satélite 160 6.5 Estatística das comparações quando as estações fluviométricas se
encontram instaladas entre 2 e 30 km do traço do satélite, na planície de inundação dos Llanos de Mojos, na bacia do rio Madeira
163
6.6 Nivelamento das estações in situ com declividade nula entre os
traços do satélite 167
6.7 Comparação de nivelamento direto e indireto 172
xxviii 6.8 Relação das estações virtuais utilizadas para o rio Guaporé 194 6.9 Relação das estações virtuais utilizadas para o rio Branco 196 6.10 Relação das estações virtuais utilizadas para o rio Amazonas 199 6.11 Relação das estações virtuais utilizadas para o rio Negro 204
xxix
LISTA DE ABREVIATURAS
ADCP Acustic Doppler Current Profiler
AltiKa Altímetro de alta resolução na banda Ka AMI Active Microwave Instrument
ANA Agência Nacional de Águas - Brasil ASAR Advanced Synthetic Aperture Radar ASF Alaska SAR Facility
ASI Agenzia Spaziale Italiana
ASTER Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection radiometer ATSR Along Track Scanning Radiometer
AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer
AVISO Archivage, Validation et Interprétation de données Satellites Océanographiques
CASH Contribution de l’Altimétrie Spatiale pour l’Hydrologie CBERS Satélite sino-brasileiro de recursos terrestres
CERES Clouds and the Earth's Radiant Energy System CHAMP Challenging MiniSatellite Payload
CIP International Potato Center
CNES Centre National d’Études Spatiales France
CTOH Centre de Topographie des Océans et de l'Hydrosphère CZTI Zona de Convergência Inter Tropical
DMSP Defence Meteorological Satellite Program
DORIS Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite EAB Agência Espacial Brasileira
ECMWF European Center for Mediumrange Weather Forecast EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
xxx ENVI The ENvironment for Visualozing Images
ENVISAT ENVIronmental SATellite
EORC Earth Observation Research Center EOS Earth Observing System
ERM Exact Repeat Mission
EROS Earth Resources Observation and Science ERS European Remote sensing Satellite
ERSDAC Earth Remote Sensing Data Analysis Center of Japan ESA European Space Agency
EUMETSAT Organisation Européenne pour l'Exploitation des Satellites Météorologiques
EVI Enhanced Vegetation Index
FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations
FO Forma de onda
GDR Geophysical Data Record
GEOS Geodynamics Experimental Oceano Satellite GEOSAT GEOdetic SATellite
GFO Geosat Follow On
GGM02 GRACE Gravity Model 02
GIS Geographical Information System GLAS Geoscience Laser Altimeter System
GMES Global Monitoring for the Environment and Security GNSS Global Navigation Satellite System
GOCE Gravity field and steadystate Ocean Circulation Explorer GOES Geostationary Operatinal Enviromental Satellite
GOMOS Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars GPM Global Precipitation Measure
GPS Global Positionning System
xxxi GPSDR Global Positioning System Demonstration Receiver
GRACE Gravity Recovery And Climate Experiment GRASS Geographic Resources Analysis Support System GRDC Global Run-off Data Center
GRFM Global Rain Forest Mapping HDF Hierarchical Data Format HH Polarization HH
HY HaiYang
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística ICESat Ice, Cloud and land Elevation Satellite
IGDR Interim Geophysical Data Record IGN Intitut Geographique Nacional - France ILRS International Laser Ranging Service
INPA Instituto Nacional e Pesquisas da Amazônia INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais IRD Institut de Recherche pour le Développement ISIN Integerized sinusoidaI
ISRIC World Soil Information
ISRO Indian Space Research Organisation
IV Infravermelho
JAXA Japan Aerospace Exploration Agency JERS-1 Japan Earth Resources Satellite-1 JMR Jason-1 Microwave Radiometer JPL Jet Propulsion Laboratory
JRC Joint Research Centre of the European Commission
LEGOS Laboratoire d´Études en Géophysique et Océanographie Spatiales LPDAAC Land Processes Distributed Active Archive Center
LPT Light Particles Telescope
xxxii LRA Laser Retroreflector Array
LRR Laser RetroReflectors MDT Modelo digital do terreno
MECB Missão Espacial Completa Brasileira MERCOSUL Mercado Comum do Sul
MERIS MEdium Resolution Imaging Spectrometer METEOSAT METEOrological SATellite
MIPAS Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding MISR Multiangle Imaging SpectroRadiometer
MLP Multi Layer Perceptron
MODIS MODerate resolution Imaging Spectroradiometer MODIS Tool MODIS Reprojection Tool
MOPITT Measurements Of Pollution In The Troposphere MS Banda multi-espectral
MSS MultiSpectral Scanner MWR MicroWave Radiometer MWS MicroWave Sounder
NASA National Aeronautics and Space Administration-EUA NASDA National Space Development Agency of Japan NDVI Normalized Difference Vegetation Index
NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration NRA NASA Radar Altimetre
OCOG Offset Centre Of Gravity OLS Operational Linescan System ONU United Nations Organization OPS OPtical System
ORE HIBAM Observatoire de Recherche en Environement – Contrôles géodynamique, hydrologique et biogéochimique de l’érosion/altération et des transferts de matière dans le bassin de l’Amazone
xxxiii PAN Banda pancromática
PCD Plataformas automáticas de Coletas de Dados
PISTACH Système de Traitement pour les Applications Côtières et l’Hydrologie PMM Plataforma MultiMissão
POD Precise Orbit Determination
PODAAC Physical Oceanography Distributed Active Archive Center PRARE Precise Range And Range rate Equipment
RA Radar Altimeter RA-2 Radar Altimeter 2
RADAR Rádio Detecção And Ranging
RDBMS Relational DataBase Management System RESTEC Remote Sensing Technology Center of Japan RLA River Lake Altimetry
RLH River Lake Hydrology RNA Rede Neural Artificial
SABIAMAR Satélite Argentino Brasileiro de Informação em Alimento, água e ambiente
SAI Space Applications Institute SAR Synthetic Aperture Radar SARAL Satellite with ARgos and ALtika SCD Satélite de Coleta dos Dados SDR Sensor Data Record
SGDR Sensor Geophysical Data Records SIG Sistema de informações geográficas SLR Satellite Laser Ranging
SMMR Scanning Multichannel Micorwave Radiometer
SOTERLAC world SOil and TERrain digital data base for Latin America and the Caribbean
SPOT Système Probatoire d’Observation de la Terre
xxxiv SRTM Shuttle Radar Topography Mission
SSALT Poséïdon ou Solid State ALTimeter SSH Sea Surface Heights
SWOT Surface Water Ocean Topography T/P TOPography EXperiment/Poséïdon T2L2 Temps de Transfert par Lien Laser
TM Thematic Mapper
TMR TOPEX Microwave Radiometer TRSR Turbo Rogue Space Receiver
UCSB University of California Santa Barbara UNEP United Nations Environment Program
UV Ultravioleta
VALS Tool Virtual ALtimetry Station Tool
VIS Visível
VGT Sensor VEGETATION do satélite SPOT-4 WCMC World Conservation Monitoring Centre WGS84 World Geodetic System 1984
WMO World Meteorological Organization WSOA WideSwath Ocean Altimer
WWAP World Water Assessment Programme XS Multispectral Scanner
YSM Yaw Steering Mode
xxxv
LISTA DE SÍMBOLOS
a0 Altitude geométrica inicial do satélite no tempo t0 ai Altitude geométrica do satélite no tempo ti
aln Número de pontos de amostragem dos ecos de radar para o algoritmo Ice-1 as Altura da órbita do satélite em hidrossistemas continentais
B Amplitude de banda da freqüência emitida pelo altímetro de radar DAM Desvio absoluto da mediana
dsi Distância entre as posições inicial e num tempo ti ao longo do eixo
Es Porcentagem de ciclos do satélite utilizados na regressão linear entre os dados altimétricos e in situ
fptr(t) Função de resposta de um elemento da superfície refletida gpdf(z) Função de distribuição dos elementos da superfície refletida h Altura dos planos de água oceânicos
H Altitude geométrica do satélite em meio oceânico
H Altura dos corpos de água dos hidrossistemas continentais
H0 Altura inicial do corpo de água medida pelo altímetro em seu nadir no tempo t0
hdyn Elevação dinâmica temporária da superfície do mar hg Altura geométrica oceânica
Hi Altura do corpo de água medida pelo altímetro em seu nadir no tempo ti Hmáx Nível de água máximo da série temporal altimétrica
Hmín Nível de água mínima da série temporal altimétrica
N Número de amostras dos ecos de radar para o algoritmo SeaIce
NIR Energia refletida na região do infravermelho próximo do espectro eletromagnético
NT Número total de traços do satélite
P Amplitude da onda eletromagnética recebida pelo altímetro de radar
xxxvi Pe(t) Potência da onda eletromagnética emitida pelo altímetro de radar
Po Ruído térmico da onda eletromagnética emitida pelo altímetro de radar Pr(t) Potência média da onda eletromagnética recebida pelo altímetro de radar R Medida altimétrica entre o satélite e o alvo em meio oceânico
RED Energia refletida na região do vermelho do espectro eletromagnético RMS Valor quadrático médio (root mean square)
Rs Tempo de revisita total do satélite s Abscissa ao longo do traço
s0 Abscissa inicial ao longo do traço no tempo t0
S Superfície total inundada dada pelo modelo de superfície inundada-nível de água altimétrico
si Abscissa ao longo do traço no tempo ti
T Período da onda eletromagnética transmitido pelo altímetro de radar t0 Tempo inicial
ti Tempo em um dado momento i
u Coeficiente de segundo grau da parábola medido ao longo do trajeto do satélite
v Coeficiente de primeiro grau da parábola medido ao longo do trajeto do satélite
w Coeficiente constante da parábola medido ao longo do trajeto do satélite V Volume de água armazenado
y Valor do niésimo ponto de amostragem dos ecos de radar
Z0 Nível do zero da régua obtido pela diferença das médias das séries altimétrica e in situ
ΔH Erro da medida altimétrica devido à declividade
ΔTm Tempo de revisita do satélite com pequeno intervalo de tempo ΔTM Tempo de revisita do satélite com grande intervalo de tempo
Δz Diferença entre o nível do zero da régua obtido pela diferença das médias das séries altimétrica e in situ e o coeficiente angular da regressão linear.
δRj Correções instrumentais, ambientais e geofísicas aplicadas à medida altimétrica em hidrossistemas continentais
xxxvii ε Amplitude entre duas séries temporais altimétricas
ξ Declividade da curva descendente da distribuição da energia recebida pelo altímetro
ρ Medida altimétrica entre o satélite e o alvo em hidrossistemas continentais ρ0 Medida altimétrica inicial no tempo t0
ρi Medida altimétrica no tempo ti
σ Desvios padrões das séries temporais α Declividade da superfície imageada
Taxa de variação da altura do satélite entre as posições nos tempos t0 e ti
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO GERAL
1.1. CONTEXTO E PROBLEMÁTICA
As zonas úmidas na bacia Amazônica
O relevo da planície aluvial da bacia Amazônica apresenta uma baixíssima declividade de 1 a 6 cm/km (Meade et al., 1991). Em períodos de cheias, as águas de superfície dos grandes rios entram nos lagos e alagados interfluviais, podendo permanecer vários meses, alterando o valor do pico da cheia, que progride lentamente, e grandes superfícies são temporariamente inundadas. Em período de vazante, as águas estocadas são liberadas, aumentando e regularizando o valor da vazão na estiagem. Essas zonas úmidas agem como reservatórios naturais, afetando o ciclo hidrológico do curso principal do rio Amazonas e dos seus principais afluentes e, conseqüentemente, o ciclo hidrológico global.
A prioridade, em termos de conhecimento dessas zonas, reside na caracterização dos correspondentes escoamentos hidráulicos ou hidrodinâmicos, isto é, a forma como o excedente de água se propaga. Como elas são extensas e abrangem diversos lagos, os escoamentos naturais tornam-se extremamente complexos, emergindo a necessidade de se levar em conta uma caracterização espacializada ou distribuída do fenômeno, que, por outro lado, exige conhecimentos e estudos diferenciados.
Interesse da aplicação dos dados espaciais para a modelagem de fenômenos dificilmente observáveis
Um sistema hídrico requer monitoramento homogêneo e perene, que permita, por exemplo, efetuar estudos de balanço hídrico organizando e consolidando dados pluviométricos, observações dos níveis de água nos lagos e rios, medidas de vazões, medidas de qualidade de água e medidas de superfície inundada durante as cheias e estiagens (Alsdorf et al., 2001a). Poucas zonas úmidas dispõem de séries temporais observadas para estudos rigorosos desses ecossistemas. Mesmo quando existem alguns dados, pode haver períodos no registro em que essas informações são
2 inconsistentes (Calmant e Seyler, 2006). Diversas causas podem ser apontadas, a saber: inadequado monitoramento das redes hidrológicas, falhas nos dados, redução geral do número de estações, insuficiência de financiamento, diferença de processamento e controle de qualidade e diferentes políticas de gestão de dados. Esses problemas, que geram limitações na disponibilidade de longos períodos de observação, penalizam e dificultam a compreensão das variabilidades e incertezas que envolvem a predição e previsão do ciclo hidrológico nessas áreas.
O sistema de informações hidrológicas (HidroWeb), mantido pela Agência Nacional de Águas (ANA), contém dados de diferentes estações hidrometeorológicas para a bacia Amazônica, em território brasileiro, contabilizando 435 estações fluviométricas e 393 estações telemétricas (ANA, 2008). A atualização desse sistema pode levar de 6 a 12 meses. No entanto, esses dados não se estendem às áreas úmidas, pois são tradicionalmente e tecnicamente limitados às seções dos rios onde existe a possibilidade de medir vazão.
A utilização de dados de satélite de observação da Terra, principalmente de altimetria espacial, inserida na área temática de hidrologia espacial, permite uma visualização da superfície em escala continental, sobretudo nas regiões de difícil acesso, de forma homogênea, contínua e freqüente, com detalhamento espacial e temporal que as redes superficiais de observação não permitem.
A problemática espacial
A representação dos processos hidrológicos utilizando dados espaciais tem encontrado alguns obstáculos, onde o primeiro se compõe das limitações técnicas de aquisição e gestão dos dados. O surgimento da altimetria espacial, bem como o amplo desenvolvimento do sensoriamento remoto ao longo dos últimos quarenta anos, contribuiu fortemente para superar essa fronteira. As bases de dados ambientais foram multiplicadas, permitindo-se o acesso a um conjunto heterogêneo, mas muito extenso, de dados físicos (i.e., geografia, umidade do solo, morfologia fluvial, hidrologia, topografia, ocupação do solo, altura de água) indispensáveis à caracterização das zonas úmidas. Duas grandes vertentes da problemática espacial apresentam-se incontestavelmente.
A primeira, recorrente a todo processo de construção do conhecimento, provém do desejo de se utilizar plenamente a dimensão espacial. Uma questão, ligada à estruturação do espaço e do tempo para a construção de modelos, aparece inevitavelmente:
Quais intervalos de espaço e de tempo e quais relações funcionais entre os diversos elementos são necessários para a análise?
3 Essa questão é resultante da escolha, a priori, de um nível de abstração da realidade adequado a um fenômeno que se procura reproduzir mas que é inadequadamente monitorado, visto que as capacidades de observação e de medidas espaciais dos fenômenos hidrológicos (i.e., variáveis hidrológicas de interesse) não evoluíram tão rapidamente como aquelas ligadas à caracterização física da bacia hidrográfica (i.e., parâmetros descritivos). Os dispositivos de medidas das variáveis são, na realidade, em geral, concentrados em alguns pontos particulares (i.e., estações fluviométricas no curso principal ou na foz das bacias). O problema reside em conhecer como variáveis e parâmetros são representados em escalas diferentes e como estabelecer as funções de transferências entre essas escalas.
Para este estudo, esse problema apresenta-se nas numerosas imperfeições que são agregadas às informações dos dados espaciais disponíveis para alimentar o esquema de análise (i.e., parâmetros e/ou variáveis). Os dados provenientes dos satélites, como resultado de uma transformação da informação radiométrica em variável de interesse, não contradizem essa regra. Torna-se necessário encontrar um meio eficaz para considerar a natureza desses dados, que são muito numerosos, mas de fonte e qualidade muito variáveis. A indispensável mistura de tais dados, com o intuito de responder a um objetivo preciso, levanta as seguintes interrogações:
Como relacionar os parâmetros de modelos matemáticos com as diferentes configurações espaciais encontradas na natureza se as fontes de imperfeições são múltiplas e dificilmente quantificáveis? Por exemplo, as noções de média e desvio padrão são aplicáveis para o conjunto dos pontos de uma série temporal de altura de água, uma vez que as amostras são pequenas e a proporção de pontos suspeitos ou falsos no seu interior pode ser grande?
Como unificar dados heterogêneos em termos de origem e de qualidade de modo que possam ser utilizadas num mesmo esquema de análise?
Nesse estudo, foram utilizados também alguns dados in situ disponíveis de altura de água. Metodologias foram desenvolvidas para validação dos dados das séries temporais altimétricas de 35 dias utilizando-se dados in situ diários, bem como nivelamento dos dados in situ através dos dados altimétricos.
A segunda vertente é ligada à forma de transformar as grandezas de altura e superfície de água, efetivamente medidas por satélites, em variáveis assimiláveis para uma análise espacial orientada para a sazonalidade temporal dos processos
4 hidrológicos das zonas úmidas. Por exemplo, avaliar em qual medida a amostragem espacial e temporal de alturas da água e das superfícies é suficiente para seguir as variações espaciais e temporais das inundações na bacia estudada, uma vez que tais resoluções são tipicamente da ordem de centena de quilômetros e de trinta e cinco dias para as alturas de água e da ordem hectométrica e de uma semana para as superfícies inundadas?
Se o procedimento normal é ajustar a coleta de dados até atingir uma qualidade suficiente para responder às expectativas dos esquemas clássicos de representação dos fenômenos, o mesmo não se adapta à problemática dos dados espaciais, onde o tipo de medida e as amostragens espaciais e temporais atendem a fortes contingentes, que são independentes da problemática científica. Uma via complementar consiste em tentar adaptar a esquematização dos processos aos dados existentes. Essa alternativa permite repensar o nível de complexidade das relações funcionais dos processos para torná-los compatíveis com a natureza das informações disponíveis.
Esses questionamentos estão estreitamente relacionados às temáticas tratadas nos domínios da representação do conhecimento e do raciocínio qualitativo (i.e., técnicas de fusão e revisão, análises das incertezas, ordem de grandeza, representações gráficas causais, entre outras). Essa primeira análise indica uma necessidade de aproximação entre domínios variados como a hidrologia, a altimetria espacial, o sensoriamento remoto, as análises espaciais e novas técnicas matemáticas.
A busca de uma unificação entre essas diferentes disciplinas constitui, certamente, o interesse maior deste trabalho.
1.2. ORIGEM E RELEVÂNCIA
Nas últimas décadas, a necessidade de responder a questões científicas, ligadas, por exemplo, ao estudo de modificações climáticas e ao fluxo de contaminantes na água, no ar e em meios porosos, entre outros problemas, originou uma série de discussões sobre a compreensão dos sistemas hídricos, sob a perspectiva integrada da hidrologia superficial e subterrânea. Mais do que o interesse em séries simuladas de vazão através de modelagens hidráulicas ou hidrológicas, esses assuntos exigem um conhecimento de como os processos físicos ocorrem no âmbito de distintos domínios e escalas espaços-temporais. Na verdade, problemas como entender e prever o efeito de mudanças climáticas exige que se entenda a bacia hidrográfica como uma componente essencial de um sistema amplo, dinâmico e altamente complexo, incluindo as zonas úmidas (cf. § 2.1.2.1), que são consideradas como infra-estruturas naturais, na medida em que são caracterizadas por suas funções hidrológicas,
