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ProjetoUrucuia_W1_ChristopherNeale

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I WORKSHOP INTERNACIONAL: PESQUISA CIENTÍFICA PARA POLÍTICAS PÚBLICAS DE
GESTÃO SUSTENTÁVEL DOS RECURSOS HÍDRICOS:
Os exemplos do Nebraska, USA e do Oeste da Bahia, Brasil
AUDITÓRIO ASSEMBLEIA LEGISLATIVA - SALVADOR, BAHIA

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ProjetoUrucuia_W1_ChristopherNeale

  1. 1. Pesquisas para a Seguranca Hidrica e Alimentar: Uso de Tecnologia para Agricultura de Pequena e Grande Escala Christopher M. U. Neale Diretor de Pesquisa Pesquisa Cientifica para Politicas Publicas de Gestao Sustentavel dos Recursos Hidricos 26 de Fevereiro, Salvador, Bahia
  2. 2. Resumo • Uso de sensoriamento remoto e tecnologías geoespaciais em diferentes escalas • Manejo de irrigacao com aplicacao variavel em pivot central (Variable Rate Irrigation) • Uso de sensores no campo • Uso de veículos aéreos nao tripulados (VANT) • Manejo de irrigacao em grande escala por sensoriamento remoto por satélite
  3. 3. Nebraska: Agricultura Irrigada Substancial
  4. 4. Irrigacao por Pivot Central
  5. 5. Irrigacao com Aplicacao de Lamina Variavel Variable Rate Irrigation (VRI) Credito: Valmont Controle de Velocidade: Controle por zona: Video Demonstration: https://www.youtube.com/watch?v=u831kWRGVUk Custo Total: ~$2,000 (pode ser gratis com novos paineis de controle) Custo: ~$18,000+ Aviso: A Universidade do Nebraska nao subscreve a qualquer marca de equipamento de irrigacao em particular
  6. 6. Beneficios Potencias de VRI • Evitar aplicacacao de produtos quimicos ou irrigacao em certas areas do campo • Reduzir Bombeamento • Economia de energia • Reducao de poluicao por nitratos • Evita atolamento do pivot • Reducao de perdas de producao por sobre irrigacao • Reducao da lamina de irrigacao em areas com declividade alta (controle de erosao) • Aumento da produtividade com uma quantidade fixa de agua => Otimizar o uso da precipitacao natural
  7. 7. CropMetrics, North Bend, NE Agricultura e Irrigacao de Precisao Mapeamento feito em 2 horas con EC and VWC no dia 3/10/16, Brule Water Lab 1 Imagem Aerea SSURGO Database (Solos) Mapa VWCMapa EC
  8. 8. Experimento de Campo 2016 • Field Sites: ARDC and West Central Water Resources Field Laboratory near Brule, Neb. ECa maps provided by J. Luck and T. Franz. 8
  9. 9. Monitoramento do conteudo de agua no solo Wireless Network Comunicacao por satelite Data Logger Sensores Opcoes recentemente desenvolvidadas para melhorar o manejo e conservacao de agua e energia
  10. 10. 11 Biological Systems Engineering Department @ UNL
  11. 11. 12 Tempest VANT Padrao de voo tipico Infravermelho Termico Cor Natural RGB Biological Systems Engineering Department @ UNL
  12. 12. 13 O VANT Tempest em preparacao para o voo 8 cm pixel resolution. NDVI uses red and Near-infrared bands
  13. 13. Imagem Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) do pivot central em Mead, NE. com Sistema VRI Voo Junho 30, 2016 8 cm de resolucao de pixel. NDVI calculado com banda espectral vermelha y infravermelha da camara Micasense
  14. 14. 15 Imagem RGB do pivot VRI em Mead, Nebraska Voo de 8 de Setembro, 2016 8 cm de resolucao de pixel Red, Green and Blue Bands
  15. 15. O Model Híbrido de Evapotranspiracao1 HS H = HS+ HC HC TS TAC TA TC RX TRAD() = f(TS,TC, C()) Modelo Prognostic Modified FAO-564 water balance of the root zone ETa P Irr. DP CR RO FC PWP Modelo Diagnostico SVAT Scheme The Two-Source Energy Balance Model (TSEB)2,3 Series Resistance Formulation LE = Rn – G – H Kcb baseado na reflectancia da cobertura vegetal (Kcbrf)5 2 Norman and Kustas (1995), 3Li , et al.(2005) 1Neale et al. (2012), Soil water content estimation using a remote sensing based hybrid evapotranspiration modeling approach. In Advances in Water Resources. Volume 50, Pages 152-161, ISSN 0309-1708, 10.1016/j.advwatres.2012.10.008 4 Allen et al. (1998), 5Neale et al. (1989) ETa = Kc .ET0 Kc = Kcbrf . Ka + Ke
  16. 16. Kcb baseado na reflectancia do dossel e o balanco de agua no solo Wright, 1982 Maíz, 1982 O Kcb representa a transpiracao da planta em condicoes adequadas de agua na zona da raiz e evaporacao do solo reduzida ou nula (FAO-65) ETa = Kc ETr Kc = (Kcb*Ka +Ks) Neale, C. M. U., W.C. Bausch and D.F. Heermann. 1989. Development of reflectance based crop coefficients for corn. Transactions of the ASAE,Vol. 32(6):1891-1899
  17. 17. Evolucao do coeficiente de cultura baseado na reflectancia do dossel Milho, 2010
  18. 18. Reflectance-based Crop Coefficients Redux: For Operational Evapotranspiration Estimates In The Age Of High Producing Hybrid Varieties. 2017. I. Campos; C.M.U. Neale; A.E. Suyker; T.J. Arkebauer; I.Z. Gonçalves. Agricultural Water Management.. Vol. 187, Pages 140- 153. http://dx.doi.org/10.1016/j.agwat.2017.03.022 Re-análise da transformacao dos índices de vegetacao em coeficiente de cultura para calculo da evapotranspiracao
  19. 19. Imagens Multiespectrais de Satelite e VANT (Variabilidade Espacial e Temporal) Receitas de irrigacao para VRI com o modelo SETMI ECa Map (Alta Resolucao espacial) Dados Climaticos (Alta Frequencia Temporal) Modelo SETMI –VRI Mapas de irrigacoes anteriores (Resolucao depende do VRI) Conteudo de Agua no Solo (Resolucao Espacial baixa, Alta Temporal) Nova Receita VRI
  20. 20. Consórcio CIRCLES Transformando Vidas… 21
  21. 21. Libya Tunisia Algeria Morocco Mauritania Egypt Chad Niger Eritrea Sudan Central African RepublicNigeria Mali Togo Cameroon Ethiopia Somalia Djibouti Guinea Ivory Coast Benin Zaire Uganda Gabon Kenya Burkina Ghana Equatorial Guinea Congo Rwanda Tanzania MozambiqueAngola Zambia Burundi Malawi Madagascar Botswana Zimbabwe Namibia South Africa Lesotho Swaziland Mais de 1.5Milhoes de Hectares sob Irrigacao por Pivot na Africa 26,000 15,000 80,000 7,200 Libya Algeria Egypt 82,000 Tunisia Morocco 2,100 Malawi 3,000 Namibia 4,300 Swaziland 4,500 Mozambique 8,500 Angola 10,000 Zimbabwe 21,500 Zambia 32,500 South Africa 980,000 Botswana 1,800 Madagascar Kenya 1,200Uganda 11,500 60,000 8,000 Sudan Tanzania 4,800 Ethiopia Ivory Coast Nigeria 9,000 6,800 Mali 2,200 Gambia 400 500 1,800 600 1,100 Chad 2,600 800 Gabon Cameron Ghana 5,200 Burkina Faso Sierra Leone Senegal 2,500DRC North Africa (hectares) East Africa (hectares) West Africa (hectares) Southern Africa (hectares)
  22. 22. Os agricultores de pequena escala na África Subsaariana (SSA) estão presos em um ciclo de pobreza Agricultores de pequena escala compõem 80% das fazendas na SSA e produzem entre 70-90% dos alimentos na África. Contudo, agricultores comerciais (1% dos produtores) obtêm produtividade 4-10 vezes maiores. Porque ? • As já pequenas áreas (1-2 ha) estão diminuindo ao longo do tempo devido a mudanças do uso e estrutura de posse da terra. • Limitado acesso a mercados, incluindo acesso a informações e a equipamentos de pós-colheita • Dependência da agricultura de sequeiro em períodos de chuvas cada vez mais erráticos. • Foco de ONG e governos em tecnologias de baixo custo que aumentem gradativamente as condições de vida … mas não provocam mudanças na economia ou sociedade. Sources: Wiggins, S. 2009. Can the smallholder model deliver poverty reduction and food security for a rapidly growing population in Africa? Paper for the Expert Meeting on How to feed the World in 2050, Rome. World Census of Agriculture (FAO), World Development Report (2008), internal findings. 23
  23. 23. Consórcio CIRCLES Tanzânia Parceria entre a Valmont, Instituto Water for Food, WorldServ (ONG), Governo Regional de Dodoma, Governo Distrital de Chimwino e Universidade de Dodoma, Tanzania • Testar o conceito de agricultura comunitária em pivô central • Abordagem “de baixo para cima” • Envolve a eventual produção de culturas de mais alto valor e toda a cadeia de produção
  24. 24. • Se organiza os agricultores para se envolverem com e no mercado. Os grupos de poupança são estimulados e apoiados, criando capacitação humana • DWFI fornece pesquisa e dados para melhorar a tomada de decisões e a produtividade • Valmont fornece sistemas de irrigação de pivô central e suporte técnico • ONG fornece financiamento para a tecnologia de pivô centro e outros insumos • Parceira comercial garante preços e mercado para agricultores que operam o pivô central Elementos Socioeconômicos • ≥3x crescimento na receita líquida famliar • Financiamento pago em 5 anos. • Financiamento adicional para equipamentos mecanizados e outros insumos rurais • ≥1 pivô central adicional financiado pela Vila Comercial para expander a operação a partir do 4 ano. Projeções Financeiras Fornecedores da Cadeia de Valor Fundamentos Técnicos / Apoio: Valmont Fundos Micro financiamento Long-term, flexi - financing for a CP + farmer inputs Repayment based on Commercial Village revenues CIRCLES na Tanzânia Pesquisa Social e Técnica: DWFI / Universidade Nebraska Universidade de Dodoma Desenvolviment o Humano– Governo Distrital de Chimwino Grupos de produtores comerciais Vilas comerciais Grupos de Poupança Comunitários Escritórios Locais de Extensão Rural OrientadopelomercadoAtravésdedoações
  25. 25. CIRCLES oferece “irrigação +” para atender demandas hídricas adicionais da comunidade 26 O atendimento das necessidades domésticas e pecuárias utilizando água de irrigação requer pouco investimento adicional, criando um benefício imediato para toda a comunidade.
  26. 26. Pivot Central Proposto para Maweni, TZ 80-120 Agricultores de pequena escala organizados em 8 seções de 17 acres (6,9 ha) cada de um total de 136 acres (55ha) Área por seção em acres(ha) Parcela A: 0,3 (0,12) Parcela B: 1.2 (0,49) Parcela C: 2.1 (0,85) Parcela D: 2.9 (1,17) ParcelaE: 3.8 (1,54) Parcela F: 4.6 (1,86) Parceal G: 2.1 (0,85) Total: 17.0 acres (6,9ha) por seção Valley Irrigation 27 Center Pivot Design: 6 Spans x 66M + 25M Overhang for a total of a 421-Meter Radius
  27. 27. Exemplo em escala regional - Uso de sensoriamento remoto por satelite para estimar demanda hidrica da agricultura irrigada por pivot central
  28. 28. 29 Provided by USDA NASS, basado en imágenes Landsat y otros satélites
  29. 29. 30 Rotacao das Culturas milho-soja no nordeste do Nebraska 2013 2014 Muitos dos modelos de cálculo da ET baseados en Sensoriamento Remoto necessitam de mapas de culturas/uso do solo
  30. 30. Fuente: USDA Natural Resource Conservation Service (http://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/App/We bSoilSurvey.aspx) Mapa de capacidad de retencao de agua em 1 metro de solo Composicao a cor RGB Landsat 8. 19/07/2013 As variaveis encluem: Tipo de solo, textura, profundidade, capacidade de retencao de agua, materia orgánica …
  31. 31. Sequencia de imágens Landsat 5, 7, 8 apresentadas no software SPIDER (UCLM)
  32. 32. Nebraska Upper Republican Campos com pivots monitoradas Localizacao da bacia Upper Republican River Basin no sudoeste de Nebraska
  33. 33. Balanco de agua no solo baseado em informacao por satélite UPPER REPUBLICAN RIVER BASIN Lamina de Irrigacao Requerida Lamina Aplicada (medida)
  34. 34. UPPER REPUBLICAN RIVER BASIN Balanco de agua no solo com informacao por satélite
  35. 35. Christopher Neale Water for Food Global Institute University of Nebraska Christopher Hain Earth System Science Interdisciplinary Center, University of Maryland, NOAA-NESDIS Martha C. Anderson USDA-Agricultural Research Service, Hydrology and Remote Sensing Laboratory
  36. 36. O QUE ESTAMOS PRODUZINDO PARA A REGIAO NENA: • O uso do modelo de balanco de energía ALEXI para obter valores de evapotranspiracao (ET) numa resolucao de 375 m usando o satélite VIIRS • Este produto de ET será usado na estimacao do Índice de Estréss Evaporativo, usado na determinacao do Índice de seca • Desagregacao (downscaling) do produto de ET usando o modelo DisALEXI para a estimacao em escala de parcela ou campo agrícola da demanda e produtividade da agua (Kg/m3) • Otros beneficios: O producto de 375 m pode ser usado em aplicacoes para o balanco de agua e demanda hídrica em escala de bacia hidrográfica.
  37. 37. Localizacao do exemplo: Delta do Rio Nilo Desenvolvimento do produto ET diario com 375 m de resolucao baseado no satelite VIIRS
  38. 38. Resolucao do satelite MODIS (1000-m) Resolucao do satelite VIIRS (375-m) Desenvolvimento do produto ET diario com 375 m de resolucao baseado no satelite VIIRS
  39. 39. Desenvolvimento do produto ET diario com 375 m de resolucao baseado no satelite VIIRS
  40. 40. VIIRS Capability (375-m)Valores de ET anual obtidos atraves de valores diarios durante o ano 2015 Desenvolvimento do produto ET diario com 375 m de resolucao baseado no satelite VIIRS
  41. 41. VIIRS 375 m ET annual (mm) Desenvolvimento do produto ET diario com 375 m de resolucao baseado no satelite VIIRS
  42. 42. Desagregacao do produto VIIRS de 375 m a resolucoes mais detalhadas • Desagregacao e fusao de produtos para escalas com maiores detalhes usando o modelo DisALEXI • O produto ET diario de 375 m e a condicao do límite superior • Uma versao de código aberto de DisALEXI foi desenvolvidada para este propósito (PyDisALEXI) • PyDisALEXI está programado em Python em código aberto, para permitir sua distribuicao • Faremos treinamentos com agencias e entidades colaboradoras para usar o software e aumentar os detalhamento do produto ET diario
  43. 43. 0.00 3.75 7.50 11.25 15.00 Irrigacao no Delta do Rio Nilo Valores de Evapotranspiracao diaria baseados no ALEXIS Valores diarios de ET em mm/dia baseados no modelo ALEXIS e dados do Satelite VIIRS (375 m)
  44. 44. 0.00 3.75 7.50 11.25 15.00 Resultados desagregados, valores de ET diaria em escala Landsat 8 (30 m) Irrigacao no Delta do Rio Nilo Valores diarios de ET en mm/dia basados en el modelo ALEXIS y desagregados a la escala Landsat (30 m) utilizando el modelo PyDisALEXI
  45. 45. JULY 2010 12-week composite ET/PET anomalia estandardizada (2000-2011 base)
  46. 46. IndicedeSecaporEvapotranspiracaoporsatelite Atmosphere-Land Exchange Inverse Model (ALEXI) (Anderson et al., 1997, 2007)
  47. 47. MonitoramentodeSecaemtemporeal 2012 SECA REPENTINA Mudancas mensais
  48. 48. 2002 - 2007 JAN 200220032004200520062007 FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Mais seco Mais Umido -2 -1 0 1 2
  49. 49. 2008 - 2013-2 -1 0 1 2 200820092010201120122013 JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Mais UmidoMais seco
  50. 50. ESI(JFM)ESI(JFM)Anomaliaemproducao 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 ESI(s)AnomaliaProducao(kg/ha) ANOMALIA NA PRODUCAO ANUAL DE SOJA A NIVEL MUNICIPAL Anomaliaemproducao
  51. 51. APRIL 2017 12-week composite ET/PET anomalia estandarizada (2000-2011 baseline) Ka-band LST (all-sky) cloud fill In progress… http://monitordesecas.ana.gov.br/
  52. 52. 15° x 15°Malha de Processamento do Produto VIIRS ET diario sendo gerado pelo DWFI no supercomputador da Universidade do Nebraska-Lincoln
  53. 53. O future e otimista: Pense nas possibilidades Variedades híbridas de álta producao Fertilizantes encapsulados Monitoramento de cultural Com VANTs Veículos autoguiados Evapotranspiracao por Sensoriamento remoto Monitoramento da planta e solo. Comunicacao. Equipamentos de irrigacao com aplicacao variavel Esta na hora de por tudo junto para seguranca hidrica e alimentar! Uma visao dos desenvolvimentos tecnologicos mais recentes
  54. 54. cneale@nebraska.edu Obrigado!

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