ISSN 1678-0701
Número 68, Ano XVIII.
Junho-Agosto/2019.
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No. 68 - 11/06/2019
EVOLUÇÃO DAS ILHAS DE CALOR URBANA EM TERESINA, PIAUÍ (1985-2015)  
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EVOLUÇÃO DAS ILHAS DE CALOR URBANA EM TERESINA, PIAUÍ (1985-2015)



Francisco Rannyell de Abreu Nunes1

Profa. Dra. Giovana Mira de Espindola2

Francisco Cleiton Lopes3



1Engenheiro Cartógrafo e Agrimensor do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Piauí (UFPI); the_rannyel@hotmail.com.

2Professora do Curso de Engenharia Cartográfica e Agrimensura do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Piauí (UFPI); giovanamira@ufpi.edu.br.

3Especialista em Geoprocessamento do Instituto Federal do Piauí (IFPI); f-cleiton@hotmail.com.





RESUMO

A cidade de Teresina, capital do estado do Piauí, encontra-se localizada na mesorregião Centro-Norte Piauiense, sendo destaque e referência como polo regional de saúde e educação. Ao longo das décadas, a expansão da cidade foi influenciada pelo intenso fluxo migratório proveniente da zona rural, e também pela intensificação das políticas habitacionais, e da modernização de seu sistema viário. Neste contexto, este artigo tem por objetivo demonstrar o agravamento da incidência das ilhas de calor urbana em Teresina, em função da sua expansão urbana, entre os anos de 1985 a 2015. Os dados do crescimento físico da área urbana da cidade são apresentados a partir do sensoriamento remoto, com o uso de imagens dos satélites Landsat-5 e Landsat-8. No comparativo entre os anos analisados, os resultados confirmam a elevação da temperatura aparente de superfície na cidade como um todo, em especial nas zonas Centro-Norte e Leste da cidade. Tais resultados permitem reforçar a necessidade de se desenvolver políticas de Educação Ambiental voltadas à manutenção da população arbórea em Teresina.

Palavras-chave: Clima urbano; Geoprocessamento; Imagens termais; Landsat.



ABSTRACT

The city of Teresina, capital of the state of Piauí, is located in the Center-North meso-region, being featured as a regional center of reference in health and education. Over the decades, the expansion of the city was influenced by intense migration flow from rural area, and also by the intensification of housing policies, and the modernization of its road system. In this context, this article aims to demonstrate the worsening impact of urban heat islands in Teresina, in function of its urban expansion, between the years of 1985 to 2015. The data of the physical growth of the urban area of the city are presented from remote sensing, using images from the Landsat-5 and Landsat-8 satellites. In the comparison between the analyzed years, the results confirm the increase of the apparent temperature of surface in the city as a whole, especially in the Center-North and East areas of the city. These results allow reinforcing the need to develop Environmental Education policies aimed at the maintenance of the tree population in Teresina.

Keywords: Urban climate; GIScience; Thermal images; Landsat.





INTRODUÇÃO

Pesquisas científicas sobre mudanças climáticas apontam que as emissões antropogênicas de gases de efeito estufa (GEE) são provavelmente as principais causas do aumento da temperatura do planeta desde meados do século XX (STEFFEN et al., 2015), sendo as cidades uma das principais fontes destas emissões. Atualmente, mais da metade da população mundial vive em cidades (UNITED NATIONS, 2014), e em 2050, espera-se que esta porcentagem chegue a 64-69% da população total.

Os impactos caudados pelas alterações no clima já estão sendo sentidos nos diversos centros urbanos, e vêm se agravando nas últimas décadas. Os principais problemas climáticos envolvendo cidades são: aumento da temperatura, aumento no nível do mar, ilhas de calor, inundações, escassez de água e alimentos, acidificação dos oceanos e eventos extremos (SETO et al., 2012).

Muitas cidades brasileiras já apresentam problemas ambientais relacionados aos padrões de desenvolvimento e transformação de áreas geográficas, sobretudo pela falta de planejamento. Dentre estes problemas, destacam-se os impactos resultantes da ocupação desordenada do solo urbano, principal fator responsável pelas alterações nas condições do clima pela perturbação do balanço energético do sistema superfície-atmosfera em escala mesoclimática (RIBEIRO, 1993).

Sabe-se que o clima urbano é resultado das dinâmicas de mudança de cobertura natural do solo, com incremento de áreas edificadas, o que frequentemente causa um aumento de temperatura, tanto superficial quanto do ar, em relação ao ambiente rural circunvizinho, criando o fenômeno térmico conhecido como “ilhas de calor urbana” (VOOGT e OKE, 2003).

O avanço da urbanização gera intensas alterações na cobertura do solo urbano, o que tem suscitado iniciativas de planejamento por parte do Estado e da administração pública, com a finalidade de tratar as dificuldades produzidas pelo surgimento desordenado de aglomerações urbanas. Isso porque as áreas urbanas apresentam características estruturais que tornam complexa a identificação dos seus problemas, pois não apresentam necessariamente continuidade ou homogeneidade espacial.

Neste contexto, uma análise da trajetória da urbanização brasileira permite constatar que o acelerado crescimento urbano com nítida falta de organização espacial tem gerado graves problemas relacionados às ilhas de calor urbana, que ocorrem em locais com excessiva quantidade de construções e baixa concentração de áreas verdes.

Desta forma, o acelerado crescimento urbano do território brasileiro tem provocado um aumento significativo da densidade de áreas construídas nas cidades, seja nas grandes metrópoles ou mesmo nas pequenas e médias cidades. Este fato é também decorrente da crescente demanda por infraestrutura no espaço urbano, que busca acentuar o incremento dos equipamentos urbanos disponíveis para atender as necessidades da população.

Assim, com vistas a fornecer subsídios para melhores iniciativas de planejamento urbano, faz-se necessária a utilização de instrumentos e metodologias que permitam analisar o quanto cada elemento constituinte das diferentes regiões urbanas contribui na geração das ilhas de calor. Neste sentido, o sensoriamento remoto e o geoprocessamento têm se destacado nos estudos de caráter ambiental tanto em escala regional ou urbana (JENSEN, 2007).

A utilização de dados de sensoriamento remoto da região do infravermelho termal permite o estudo da anomalia térmica de ilhas de calor urbana por meio da análise das diferentes características estruturais dos alvos urbanos pela obtenção de informações relativas à temperatura aparente de superfície (Land Surface Temperature – LST) (DASH et al., 2002).

Dados de sensoriamento remoto apresentam vantagens e desvantagens quando comparados aos estudos observacionais que consideram a magnitude das ilhas de calor pela comparação de dados de temperatura do ar obtidos por estações meteorológicas. Das vantagens do uso do sensoriamento remoto associado ao geoprocessamento em estudos de clima urbano, destacam-se as variadas possibilidades de resolução espacial dos dados que permitem visões de diferentes escalas sem a necessidade de coletas em campo.

Como desvantagem, cita-se a baixa resolução temporal quando comparado com coletas de estações meteorológicas, no entanto, ainda neste quesito, o sensoriamento remoto pode apresentar vantagem no estudo de longas séries temporais em locais onde dados meteorológicos não estão disponíveis, exemplificado pelo caso de Teresina, foco deste trabalho.

A cidade de Teresina é uma cidade média do Nordeste brasileiro que tem apresentado elevadas taxas de urbanização nas últimas décadas, com grande incremento de área urbana e densidade de áreas construídas, expandidas em decorrência do contínuo aumento populacional. A partir da década de 1970, a expansão urbana de Teresina foi motivada por importantes investimentos em infraestrutura e habitação, o que resultou na migração maciça de pessoas atraídas por melhores condições de vida na cidade.

No entanto, este processo tem causado problemas urbanos sérios, em especial decorrentes da expansão desordenada que estabeleceu uma reconfiguração espacial da cidade com o espraiamento urbano para as diferentes zonas da capital (Centro-Norte, Leste, Sudeste e Sul). Como consequência, a cidade apresentou modificações em sua paisagem, tais como: diminuição das áreas verdes, aumento da poluição, violência urbana, insuficiência e precariedade dos equipamentos urbanos, ampliação da favelização, além do aumento do tráfego e congestionamentos, dentre outros.

Desta forma, os impactos negativos da urbanização em Teresina são resultados de um processo histórico de ocupação deficiente em planejamento urbano. Assim, o presente artigo parte do uso de séries temporais de imagens Landsat do período de 1985 a 2015. O objetivo principal deste artigo é descrever e mapear as dinâmicas de mudança da cobertura vegetal e o consequente aumento da temperatura aparente de superfície, estabelecendo as relações entre as áreas de maior densidade de áreas construídas e as ilhas de calor urbana da cidade.



MATERIAIS E MÉTODOS

Teresina, capital do estado do Piauí, foi fundada em 16 de agosto de 1852. A cidade foi idealizada por Conselheiro Saraiva, tendo como traçado geométrico a forma de tabuleiro de xadrez com um modelo de ruas horizontais e verticais, tornando-se a primeira capital do Brasil com esta configuração. Teresina situa-se num ponto estratégico, entre os Rios Parnaíba e Poti, a 05°05’ de latitude sul e 42°48’ de longitude oeste, pertencendo a mesorregião Centro-Norte Piauiense (CRUZ et al., 2016; NOGUEIRA et al., 2016; ESPINDOLA et al., 2017).

O município apresenta clima tropical com dois períodos distintos: um quente e úmido, entre os meses de janeiro a julho; e outro quente e seco, entre os meses de agosto a dezembro. A temperatura média é de 29ºC com uma variação de pouco menos de 10ºC entre o dia e a noite. A vegetação da região apresenta exemplares de Caatinga, Mata de Cocais e Cerrado, encontrando-se com frequência palmeiras de babaçuais e carnaubais (BARTHOLOMÉ et al., 2002; BARTHOLOMÉ e BELWARD, 2005).

Nas últimas três décadas, Teresina passou por um intenso crescimento populacional. Em 1980 a população não chegava a 400.000 habitantes e, em 2010 passou a 814.230 habitantes, sendo atualmente polo de processos migratórios da região Nordeste. Foi também a cidade do Nordeste onde a renda per capita mais cresceu entre os anos de 1970 e 2000, com taxa média de crescimento anual de 4,16% ao ano. Assim, a expansão da cidade foi influenciada pelo intenso fluxo migratório proveniente da zona rural como de municípios próximos, e também pela intensificação das políticas habitacionais e da modernização do sistema viário, tendo seus planos urbanísticos privilegiado o estabelecimento de estruturas viárias e zoneamento urbano implementado por meio de instituições públicas (ESPINDOLA et al., 2017).

Segundo dados do IBGE (2015), o território de Teresina compreende uma área total de 1.391,98 Km², população total estimada de 844.245 habitantes em 2015, sendo que, segundo a Secretaria Municipal de Planejamento e Coordenação de Teresina, da área total do município, 17% é considerada urbana e 83% rural. Atualmente a cidade é dividida em regiões administrativas denominadas Superintendências de Desenvolvimento Urbano (SDU), em Centro-Norte, Leste, Sudeste e Sul, e delimitadas segundo o atual perímetro urbano, estabelecido pela Lei N° 3.559, de 20 de outubro de 2006. A cidade de Teresina é ainda conurbada com a cidade maranhense de Timon, sendo o rio Parnaíba o limite físico da divisão destas duas cidades.

Assim, o presente trabalho teve como ponto de partida o levantamento de dados de Temperatura Média do Ar, adquiridos por meio do banco de dados do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), para a estação meteorológica OMM: 82578, localizada no centro da cidade de Teresina. Em seguida, foram selecionadas imagens ortorretificadas dos satélites Landsat-5 e Landsat-8, obtidas gratuitamente pelo site do U. S. Geological Survey (USGS) (LOVELAND e DWYER, 2012).

O Landsat-5 é considerado um satélite da classe multiespectral e de média resolução espacial, com revisita da mesma área a cada 16 dias, percorrendo uma órbita polar circular e heliossíncrona a uma altitude de 705 km e uma inclinação de 98,2º. O satélite está inativo desde novembro de 2011, no entanto, seu acervo de imagens encontra-se disponível de forma gratuita. O satélite Landsat-5 traz a bordo o sensor TM, que coleta imagens que cobrem no terreno uma área projetada de 185 x 185 km, com resolução radiométrica de 8 bits.

Com características semelhantes, o Landsat-8 entrou em operação em 2013 com vistas a substituir seus antecessores, e passou a disponibilizar imagens gratuitas a partir do segundo semestre deste mesmo ano. Os sensores OLI e TIRS a bordo do satélite Landsat-8 coletam imagens com uma resolução radiométrica de 12 bits e largura de cenas também de 185 km x 185 km (WULDER et al., 2012; MARKHAM et al., 2015).

Os mapas de Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI) foram obtidos com base nas bandas espectrais dos sensores TM e OLI, nos comprimentos de onda do vermelho (RED) e do infravermelho próximo (NIR), e computados com base na seguinte fórmula (BARBOSA et al., 2006):







Já os mapas de Temperatura Aparente de Superfície (LST) foram obtidos com base nas bandas termais dos sensores TM e TIRS, e processados por meio da calibração radiométria das imagens. Num primeiro momento, os Níveis de Cinza (DN) das imagens foram convertidos em Radiância Espectral ( ), e posteriormente este foi convertida em Temperatura Aparente de Superfície em Kelvin, conforme formulações a seguir, sendo: o fato multiplicativo de redimensionamento da banda, o valor quantizado calibrado pelo pixel em DN, o fato aditivo de redimensionamento da banda, e e as constantes de calibração (MARKHAM et al., 2015).





A seleção das imagens levou em consideração a disponibilidade das mesmas, com a menor porcentagem de cobertura de nuvens e melhor qualidade radiométrica, e foram então selecionadas as datas de 19/08/1985, 17/08/1990, 15/08/1995, 28/08/2000, 10/08/2005, 16/08/2010, e 26/08/2015, sendo as sete imagens adquiridas correspondes a órbita-ponto 219/64.

Todos os processamentos foram realizados no programa de código aberto Quantum GIS (QGIS, 2016). O núcleo do QGIS é desenvolvido em linguagem C++, podendo ser expandido pela interface Python de programa de aplicação (Application Programming Interface – API) por meio de scripts. Assim, é possível adicionar funcionalidades utilizando scripts Python, que são instruções escritas numa linguagem de programação que é interpretada em tempo de execução, sendo esta a forma escolhida para o processamento e análises dos dados deste artigo.



RESULTADOS E DISCUSSÃO

Num primeiro momento, os resultados encontrados para os valores médios da temperatura aparente de superfície (LST), obtidos pelo processamento das bandas termais dos sensores TM e TIRS foram comparados com os dados de temperatura do ar registrados pela estação meteorológica do centro de Teresina, conforme Tabela 1. Percebe-se uma mesma tendência e similaridade entre essas temperaturas, com correlação de 0,87 entre os anos de 1995 e 2015, apesar de ser esperado que, em média, a temperatura do ar seja menor do que a LST (TAHA, 1997). Ressalta-se ainda a inexistência de dados de temperatura do ar para os anos de 1985 e 1990, tornando desta forma importante a disponibilização dos valores obtidos por sensoriamento remoto.



Tabela 1 – Comparação entre Temperatura Aparente de Superfície obtida pelo processamento das bandas termais dos sensores TM e TIRS, e Temperatura da Estação Meteorológica no período de 1985 a 2015.


Temperatura Aparente de Superfície

Temperatura da Estação Meteorológica

Datas

Horas

Min

Méd

Máx

Horas

Min

Méd

Máx

19/08/1985

09:29

22.7

26,9

29.9

09:00


-


17/08/1990

09:19

22.7

25,4

28.2

09:00


-


15/08/1995

09:02

20.5

25,4

30.3

09:00

23,0

26,2

29,4

28/08/2000

09:37

23.5

26,9

30.3

09:00

24,1

25,8

27,6

10/08/2005

09:47

21.8

25,6

29.5

09:00

23,8

25,6

27,4

16/08/2010

09:51

21.8

25,6

29.5

09:00

24,2

26,1

28,0

26/08/2015

09:59

25.9

30,9

35.9

09:00

23,8

27,3

30,8



Por sua vez, a Figura 1 apresenta em um mapa temático de 2015 a distribuição espacial da temperatura aparente de superfície, que varia consideravelmente na região urbana de Teresina-Timon, com diferenças que podem ser de até 10º C. A análise desta primeira figura é complementada pela análise da Figura 2, que apresenta um perfil de LST e a caracterização evidente de uma ilha de calor urbana com temperaturas menores nas áreas rurais do que nas áreas urbanas. Nesta figura os pontos A e B indicam os rios Parnaíba e Poti, que conforme esperado, apresentam baixos valores de temperatura aparente de superfície.

Ao longo dos anos, o intenso crescimento físico e populacional de Teresina, e a consequente perda de boa parte da cobertura vegetal em ambiente intra-rurbano, tem contribuído para uma nova configuração climática da cidade. A análise conjunta das Figuras 3 e 4 permite constatar a associação direta existente entre a diminuição da cobertura vegetal, neste artigo identificada pela variação do NDVI (Figura 3), e o aumento da LST local (Figura 4), entre os anos de 1985 e 2015.

Isso porque, as diferentes formas de uso do solo na cidade de Teresina corroboram com a definição das variações térmicas características da ilha de calor urbana. As áreas onde foram registradas as menores temperaturas correspondem aos ambientes mais arborizados, uma vez que a cobertura vegetal desempenha papel fundamental na amenização da radiação solar, pois altera o albedo das superfícies e garante uma menor absorção de calor.



Figura 1 – Mapa temático da distribuição espacial da LST em 2015 da região urbana dos municípios de Teresina e Timon, com o gráfico de um perfil de LST desta região.