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Title: Avaliação da irrigação por fusão de imagens de satélite usando computação em nuvem: um estudo na região semiárida do Brasil.
Other Titles: Evaluation of satellite imagery fusion irrigation using cloud computing: a study in the semiarid region of Brazil.
???metadata.dc.creator???: FERREIRA, Thomás Rocha.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: SILVA, Bernardo Barbosa da.
???metadata.dc.contributor.referee1???: SILVA, Madson Tavares.
???metadata.dc.contributor.referee2???: SANTOS, Carlos Antonio Costa dos.
???metadata.dc.contributor.referee3???: NEALE, Christopher Michael Usher.
???metadata.dc.contributor.referee4???: MOURA, Magna Beserra Soelma de.
Keywords: Sensoriamento remoto;Evapotranspiração;Google earth engine;Balanço hídrico;Agrometeorologia;Radiação;Remote sensing;Evapotranspiration;Motor do google earth;Water balance;Agrometeorology;Radiation;Detección remota;Evapotranspiración;Equilibrio hídrico;Agrometeorología;Radiación;Télédétection;Évapotranspiration;Moteur google earth;Bilan hydrique;Agrométéorologie;Radiation
Issue Date: 30-May-2022
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: FERREIRA, T. R. Avaliação da irrigação por fusão de imagens de satélite usando computação em nuvem: um estudo na região semiárida do Brasil. 2022. 90 f. Tese (Doutorado em Meteorologia) – Programa de Pós-Graduação em Meteorologia, Centro de Tecnologia e Recursos Naturais, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2022.
???metadata.dc.description.resumo???: A avaliação da irrigação em regiões áridas e semiáridas é imperativo para garantir o uso sustentável de recursos hídricos limitados e garantir a produção de alimentos. Este estudo objetivou avaliar o uso consuntivo de água para irrigação em uma área piloto de cana-de-açúcar do polo de irrigação Petrolina/Juazeiro, mediante fusão de imagens orbitais e multiespectrais (série Landsat e sensores MODIS) e de poucos elementos meteorológicos em superfície. Para tanto, usou-se computação em nuvem para processar as imagens orbitais e os dados meteorológicos de superfície na determinação da evapotranspiração (ET), usando o SEBAL, como entrada para o balanço hídrico do solo. Na análise do melhor conjunto de equações a ser utilizado no SEBAL, foram avaliados dois modelos para calcular a radiação de ondas curtas incidente (Rsw), dez modelos de emissividade atmosférica de céu claro para calcular a radiação de ondas longas incidente (Rlw) e dois modelos para determinação do saldo de radiação diário (Rn,24). O desempenho foi avaliado de acordo com as medições de torres micrometeorológicas in-situ, sob diferentes coberturas da superfície. Os melhores resultados foram encontrados para os modelos Allen, Duarte e De Bruin para Rsw, Rlw e Rn,24, respectivamente. Foi avaliada a precisão do uso dos modelos SEBAL e STARFM na estimativa de variáveis-chave e do próprio saldo de radiação e na determinação da ET em escala diária e mensal. A fusão de imagens retratou RMSE do Rn, Ts, NDVI e albedo iguais a 17,00 W m-2, 2,28 K, 0,07 e 0,01, respectivamente. A ET diária (ET24) e mensal (ETm) em combinação do STARFM com o SEBAL, apresentaram baixos erros médios (PBIAS = -2,75% e RMSE = 0,97 mm d-1 e 16,66 mm mês-1) e alto coeficiente de determinação (0,87 para ET24 e 0,91 para ETm) em comparação com o emprego do SEBAL unicamente em imagens Landsat (PBIAS = -5,25%, RMSE = 0,97 mm d-1 e 17,66 mm mês-1, r² = 0,92). A adição de imagens fusionadas proporcionou um melhor ajuste da curva de ET24 acumulada estimada em relação a ET24 medida. O balanço hídrico indicou que a cana-de-açúcar cultivada sofreu estresse hídrico no meio e no final do ciclo do cultivo, circunstância que foi melhor representada pelas estimativas utilizando a curva de ET24 com adição de imagens fusionadas, do que utilizando apenas imagens Landsat. Embora esse incremento na resolução temporal dos dados estimados de ET24 tenha indicado um maior consumo de água, ele informa um quantitativo suficiente para suprir a demanda hídrica dos cultivos. Certamente a necessidade de um monitoramento sistemático do uso da água para irrigação em regiões semiáridas, em particular no contexto espacial e temporal, é não apenas evidente, mas imperativa. Nesse contexto, a modelagem da ET24 com dados orbitais é uma das técnicas que se prezam a auxiliar o campo de informações que se exige para um manejo adequado da irrigação, e que pode contribuir para garantir um melhor planejamento das políticas públicas de direito e uso da água, com vistas a alcançar um uso mais eficiente desse recurso.
Abstract: Irrigation evaluation in arid and semiarid regions is imperative to ensure the sustainable use of limited water resources and to guarantee food production. This study aimed to evaluate the consumptive use of water for irrigation in a pilot irrigated area of the Petrolina/Juazeiro, by fusing orbital and multispectral images (Landsat series and MODIS sensors) and few surface meteorological elements. To this end, cloud computing was used to process the orbital images and surface meteorological data to determine evapotranspiration (ET), using SEBAL, as input for the soil water balance. In the analysis of the best set of equations to be used in SEBAL, two models to calculate downwelling shortwave radiation (Rsw), ten clear sky atmospheric emissivity models to calculate downwelling longwave radiation (Rlw) and two models to determine the daily net radiation (Rn,24) were evaluated The accuracy of each model was evaluated with radiation measurements obtained from research quality sensors installed in micrometeorological towers. The best performances were found for the Allen model, Duarte model, and De Bruin model for Rsw, Rlw, and Rn,24, respectively. The accuracy of using SEBAL and STARFM models in estimating key variables and the net radiation itself and in determining ET on daily and monthly scales was evaluated. Image fusion indicated RMSE of Rn, Ts, NDVI and albedo equal to 17.00 W m-2, 2.28 K, 0.07 and 0.01, respectively. Daily (ET24) and monthly (ETm) ET as a result of the combination of STARFM with SEBAL, showed low mean errors (PBIAS = -2.75% and RMSE = 0.97 mm d-1 and 16.66 mm month-1) and high coefficient of determination (0.87 for ET24 and 0.91 for ETm) compared to using SEBAL only on Landsat images (PBIAS = -5.25%, RMSE = 0.97 mm d-1 and 17.66 mm month-1, r² = 0.92). The addition of fused images caused a better fit of the estimated cumulative ET24 curve relative to measured ET24. The water balance indicated that the cultivated sugarcane suffered water stress in the middle and at the end of the growing season, a circumstance that was better represented by estimates using the ET24 curve with the addition of fused images, than using Landsat images alone. Although this increase in the temporal resolution of the estimated ET24 data indicated a higher water consumption, it reports a sufficient quantity to meet the water demand of the crops. Certainly, the need for systematic monitoring of water use for irrigation in semiarid regions, particularly in the spatial and temporal context, is not only evident, but imperative. In this context, ET24 modeling with orbital data is one of the techniques that are intended to assist the range of information required for proper irrigation management, and that can contribute to ensure better planning of public policies for water rights and use, with a view to achieving a more efficient use of this resource.
Keywords: Sensoriamento remoto
Evapotranspiração
Google earth engine
Balanço hídrico
Agrometeorologia
Radiação
Remote sensing
Evapotranspiration
Motor do google earth
Water balance
Agrometeorology
Radiation
Detección remota
Evapotranspiración
Equilibrio hídrico
Agrometeorología
Radiación
Télédétection
Évapotranspiration
Moteur google earth
Bilan hydrique
Agrométéorologie
Radiation
???metadata.dc.subject.cnpq???: Meteorologia
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/26551
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