Validation of a spectral model for determining CO2 fluxes in areas of the Caatinga Biome
DOI:
https://doi.org/10.24221/jeap.8.3.2023.4724.226-239Keywords:
Floresta seca, Carbono, CO2flux, OLI, Landsat-8Abstract
The development of models with high coverage and low cost are fundamental for monitoring the carbon dynamics in ecosystems. The present work analyzed, by remote sensing, the CO2 fluxes in the Caatinga Biome, verifying the potential of multispectral images in determining the CO2 dynamics in areas of preserved caatinga and in ecological succession. The Forest Carbon Sequestration Index (CO2flux) was applied for spectral modeling in 20 scenes of the OLI sensor (Landsat 8). To validate the results, the CO2flux measured in micrometeorological towers was used. According to the moment of passage of the Landsat 8 satellite, different temporal scales of the CO2flux data from the tower were used considering intervals of half, one and two hours. Normality analysis was performed using the Shapiro-Wilk test, data were subjected to Spearman correlation and then the best model was selected based on the root mean square error (RSME). The CO2flux spectral index proved to be compatible for evaluating the parameters of estimating CO2 fluxes in caatinga areas when compared with CO2 fluxes from the pixel corresponding to the location of the tower, with Spearman correlation coefficients ranging from ? = -0.8 a ? = -0.7. The proposed model presented a high correlation with the observed data (R2=0.8; RSME=1.6), showing an efficient adjustment in the evaluation of CO2 fluxes and great potential in the use of multispectral images for monitoring the CO2flux capturing the effects of seasonal changes in the dynamics of carbon fluxes.Downloads
References
Adler-Golden, S.; Berk, A.; Bernstein, L. S.; Richtsmeier, S.; Acharya, P. K.; Matthew, M. W.; Chetwynd, J. H. 1998. FLAASH, a MODTRAN4 atmospheric correction package for hyperspectral data retrievals and simulations. In: Proceedings 7th Ann. JPL Airbone Earth Science Workshop, pp. 9-14.
Alvares, C. A.; Stape, J. L.; Sentelhas, P. C.; Gonçalves, J. D. M.; Sparovek, G. 2013. Meteorologische zeitschrift, 22, 6, 711-728.
Baldocchi, D. 2019. How Eddy Covariance Flux Measurements Have Contributed to Our Understanding of Global Change Biology. Global change biology, 26, 1, 242-260.
Baldocchi, D.; Penuelas, J. 2019. The physics and ecology of mining carbon dioxide from the atmosphere by ecosystems. Global change biology, 25, 4, 1191-1197.
Baptista, G. M. M. 2004. Mapeamento do sequestro de carbono e de domos urbanos de CO2 em ambientes tropicais, por meio de sensoriamento remoto hiperespectral. Geografia, 29, 2, 189-202.
Cui, W.; Chui, T. F. M. 2019. Temporal and spatial variations of energy balance closure across FLUXNET research sites. Agricultural and Forest Meteorology, 271, 12-21.
EMBRAPA - Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária. 2023. LANDSAT - Land Remote Sensing Satellite. Disponível em: https://www.embrapa.br/satelites-de-monitoramento/missoes/landsat . Acesso em: 22 de maio de 2023.
Falge, E.; Baldocchi, D.; Olson, R.; Anthoni, P.; Aubinet, M., Bernhofer, C.; Burba, G.; Ceulemans, R.; Clement, R.; Dolman, H.; Granier, A.; Gross, P.; Grünwald, T.; Hollinger, D.; Jensen, N. O.; Katul, G.; Keronen, P.; Kowalski, A.; Lai, C.T.; Law, B.E.; Meyers, T.; Moncrieff, J.; Moors, E.; Munger, J.W.; Pilegaard, K.; Rannik, Ü.; Rebmann, C.; Suyker, A.; Tenhunen, J.; Tu, K.; Verma, S.; Vesala, T.; Wilson, K.; Wofsky, S. 2001. Gap filling strategies for defensible annual sums of net ecosystem exchange. Agricultural and forest meteorology, 107, 1, 43-69.
Fleicsher, E.; Khashimov, I.; Hözel, N.; Klemm, O. O. 2016. Carbon exchange fluxes over peatlands on Western Siberia; Possible feedback between land-use change and climate change. Science of the Total Environment, 545, 424-433.
Foken, T.; Göockede, M.; Mauder, M.; Mahrt, L.; Amiro, B.; Munger, W. 2004. Post-field data quality control. In: Handbook of micrometeorology, Springer, Dordrecht. pp. 181-208.
Fuentes, D. A.; Gamon, J. A.; Cheng, Y.; Claudio, H. C.; Qiu, H.; Mao, Z.; Sims, D. A.; Rahman, A. F.; Oechel, W.; Luo, H. 2006. Mapping carbon and water vapor fluxes in a chaparral ecosystem using vegetation indices derived from AVIRIS. Remote Sensing of Environment, 103, 3, 312-323.
Gamon, J. A.; Serrano, L.; Surfus, J.S. 1997. “The photochemical reflectance index: an optical indicator of photosynthetic radiation use efficiency across species, functional types, and nutrient levels”. Oecologica, 112, 4, 492-501.
Gomes, V. P.; Galvíncio, J. D.; Moura, M. S. B.; Ferreira, P. S.; Paz, Y. M.; Miranda, R. Q. 2016. Sensoriamento remoto hyperspectral aplicado para análise dos indicadores de resiliência e suscetibilidade do bioma caatinga frente às mudanças climáticas. Revista Brasileira de Geografia Física, 09, 04, 1122-1136.
Gomes, D. S.; Santos, S. K.; Silva, J. H. C. S.; Santos, T. M.; Silva, E. V.; Barbosa, A. S. 2021. CO2flux e temperatura da superfície edáfica em áreas de caatinga. Revista Brasileira de Geografia Física, 14, 04, 1898-1908.
Jardim, A. M. R. F.; Morais, J. E. F.; Souza, L. S. B.; Silva, T. G. F. 2022. Understanding interactive processes: a review of CO2 flux, evapotranspiration, and energy partitioning under stressful conditions in dry forest and agricultural environments. Environmental Monitoring and Assessment, 194, 10, 677.
Lentilucci, E. J.; Adler-Golden, S. 2019. Atmospheric Compensation of Hyperspectral Data: An Overview and Review of In-Scene and Physics-Based Approaches. IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, 7, 2, 31-50.
Lima, R, P.; Fernandes, M. M.; Fernandes, M. R. M.; Matricardi, E. A. 2015. Aporte e decomposição da serapilheira na Caatinga no sul do Piauí. Floresta e Ambiente, 22, 1, 42-49.
Lima Filho, J. M. P. 2004. Gas exchange of the umbu tree under semi-arid conditions. Revista Brasileira de Fruticultura, 26, 206-208.
Lima Filho, J. M. P.; Silva, F. F. D.; Lopes, A. P.; Anjos, J. B.; Drumond, M. A. 2007. Comportamento ecofisiológico do pinhão manso (Jatropha curcas L.) sob condições semi-áridas. In: Congresso Internacional de Agroenergia e Biocombustíveis, Energia de Resultados, Teresina, 1.
Martins, L. N.; Baptista, G. M. M. 2013. Análise Multitemporal do Sequestro Florestal de Carbono no Projeto de Assentamento Carão, Acre. Revista Brasileira de Geografia Física, 6, 6, 1648-1657.
Menezes, R. S. C.; Sampaio, E. V. S. B.; Giongo, V.; Pérez-Marin, A. M. 2012. Biogeochemical cycling in terrestrial ecosystems of the Caatinga Biome. Brazilian Journal of Biology, 72, 3, 643-653.
Mesquita, A. C.; Dantas, B. F.; Cairo, P. A. R. 2018. Ecophysiology of Caatinga native species under semi-arid conditions. Bioscience Journal, 34, (6 Supplement 1), 81-89.
Morais, Y. C. B.; Araújo, M. S. B.; Moura, M. S. B.; Galvíncio, J. D.; Miranda, R. Q. 2017. Análise do Sequestro de Carbono em áreas de Caatinga do Semiárido Pernambucano. Revista Brasileira de Meteorologia, 32, 585-599.
Moura, M. S. B.; Silva, T. G. F.; Randow, C. R.; Lacerda, F. F.; Souza, L. S. B. Monitoramento dos fluxos de radiação, energia, CO2 e vapor d’agua em superfícies vegetadas. In: Galvíncio, J. D. (Org.). Mudanças climáticas e modelos ambientais: caracterização e aplicação. Recife: UFPE, 2011.
Oliveira, C. L.; Lima, J. R. S.; Souza, R. M. S.; Dantas, A. C.; Souza, E. S.; Ferreira, R. C. 2023. A Caatinga Emite ou Sequestra Carbono? Revista Brasileira de Geografia Física, 16, 02, 791-804.
Oliveira, M. B. L.; Santos, A. J.; Manzi, A. O.; Alvalá, R. D. S.; Correia, M. D. F.; Moura, M. S. B. 2006. Trocas de energia e fluxo de carbono entre a vegetação de caatinga e atmosfera no Nordeste brasileiro. Revista Brasileira de Meteorologia, 21, 3b, 378-386.
Pires, W. N.; Moura, M. S. B.; Souza, L. S. B.; Silva, T. G. F.; Carvalho, H. F. S. 2017. Fluxos de radiação, energia, CO2 e vapor d’água em uma área de caatinga em regeneração. Agrometeoros, 25, 1, 143-151.
Rahman, A. F.; Gamon, J. A.; Fuentes, D. A.; Roberts, D. A.; Prentiss, D. 2001. Modeling spatially distributed ecosystem flux of boreal forest using hyperspectral indices from AVIRIS imagery. Journal of Geophysical Research, 106, D24, 33579-33591.
Rahman, A. F.; Gamon, J. A.; Fuentes, D. A.; Roberts, D.; Prentiss, D.; Qiu, H. 2000. Modeling CO2 flux of boreal forests using narrow-band indices from AVIRIS imagery. AVIRIS Workshop. Proceedings... JPL/NASA, 8p.
Reichstein, M.; Falge, E.; Baldocchi, D.; Papale, D.; Aubinet, M.; Berbigier, P.; Bernhofer, C.; Buchmann, N.; Gilmanov, T.; Granier, A.; Grüneald, T.; Havránková, K.; Ilvesniemi, H.; Janous, D.; Knohl, A.; Laurila, T.; Lohila, A.; Loustau, D.; Matteuci, G.; Meyers, T.; Miglietta, F.; Ourcival, J. M.; Pumpanen, J.; Rambal, S.; Rotenberg, E.; Sanz, M.; Tenhunen, J.; Seufert, G.; Vaccari, F.; Vesala, T.; Yakir, D.; Valentini, R. 2005. On the separation of net ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration: review and improved algorithm. Global Change Biology, 11, 9, 1424-1439.
Rouse, J. W.; Haas, R. H.; Schell, J. A.; Deering, D. W. 1973. Monitoring Vegetation Systems in the Great Plains with ERTS. ERTS?1 Symposium. Proceedings... NASA, United States, 3. 309?317.
Sá, I. I. S.; Galvíncio. J. D.; Moura, M. S. B.; Sá, I. B. 2008. Uso do Índice de Vegetação da Diferença Normalizada (IVDN) para caracterização da Cobertura Vegetal da região do Araripe Pernambucano. Revista Brasileira de Geografia Física, 1, 1, 28-38.
Silva, J. N. B.; Galvíncio, J. D.; Miranda, R. Q.; Moura, M. S. B. 2021. Modelos da Produtividade Primária Bruta em área de floresta tropical em sazonalmente seca, usando dados reflectância da vegetação de caatinga. Revista Brasileira de Geografia Física, 14, 6, 3775-3784.
Silva, S. C. P.; Baptista, G. M. M. 2015a. Análises Espectrais da Vegetação com dados Hyperion e sua relação com a concentração e o fluxo de CO2 em diferentes ambientes na Amazônia Brasileira. Boletim de Ciências Geodésicas, 21, 2, 354-370.
Silva, S. C. P.; Baptista, G. M. M. 2015b. Modelagens de sequestro de Carbono e dos conteúdos de CO2 atmosférico com dados Hyperion em diferentes ambientes na Amazônia Brasileira. Revista Brasileira de Cartografia, 67, 7, 1509-1521.
Souza, L. S. B.; Moura, M. S. B.; Sediyama, G. C.; Silva, T. G. F. 2015a. Balanço de energia e controle biofísico da evapotranspiração na Caatinga em condições de seca intensa. Pesquisa Agropecuária Brasileira, 50, 8, 627-636.
Souza, L. S. B.; Moura, M. S. B.; Sediyama, G. C.; Silva, T. G. F. 2015b. Balanço de radiação em ecossistema de Caatinga preservada durante um ano de seca no semiárido Pernambucano. Revista Brasileira de Geografia Física, 8, 41-55.
Souza, L. S. B.; Moura, M. S. B.; Sediyama, G. C.; Silva, T. G. F. 2017. Carbon exchange in a caatinga area during an unusually drought year. Agrometeoros, 25, 1, 37-45.
Sun, Z.; Wang, X.; Zhang, X.; Tani, H.; Guo, E.; Yin, S.; Zhang, T. 2019. Evaluating and comparing remote sensing terrestrial GPP models for their response to climate variability and CO2 trends. Science of the Total Environment, 668, 696-713.
Teobaldo, D.; Baptista, G. M. M. 2016. Quantificação da severidade das queimadas e da perda de sequestro florestal de carbono em unidades de conservação do Distrito Federal. Revista Brasileira de Geografia Física, 9, 1, 250-264.
USGS. United States Geological Survey. Disponível em: https://earthexplorer.usgs.gov/. Acesso em: 22 de maio de 2023.
Vivaldi, D. D.; Baptista, G. M. M.; Meneses, P. R. 2013. Avaliação dos processamentos de crosstalk e de correção atmosférica em dados ASTER para identificação da relação mineralógica caulinita / (caulinita + gibbsita) em solos no município de São João d’Aliança (GO). Brazilian Journal of Geology, 43, 3, 571-582.
Wang, K.; Jiang, Q. G.; Yu, D. H.; Yang, Q. L.; Wang, L.; Han, T. C.; Xu, X. Y. 2019. Detecting daytime and nighttime land surface temperature anomalies using thermal infrared remote sensing in Dandong geothermal prospect. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 80, 196-205.
Wutzer, T.; Lucas-Moffat, A.; Migliavacca, M.; Knauer, J.; Sickel, K., Sigut, L.; Menzer, O.; Reichstein, M. 2018. Basic and extensible post-processing of eddy covariance? xmltexbreak? flux data with REddyProc. Biogeosciences, 15, 16, 5015-5030
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