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

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. 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. Nebraska: Agricultura Irrigada Substancial

4. Irrigacao por Pivot Central

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. 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. 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. 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. 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

11. 11
Biological Systems Engineering Department @ UNL

12. 12
Tempest VANT Padrao de voo tipico Infravermelho Termico Cor Natural RGB
Biological Systems Engineering Department @ UNL

13. 13
O VANT Tempest em preparacao para o voo
8 cm pixel resolution. NDVI uses red and
Near-infrared bands

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. Evolucao do coeficiente de cultura baseado na
reflectancia do dossel
Milho, 2010

19. 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

20. 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

21. Consórcio CIRCLES
Transformando Vidas…
21

22. 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)

23. 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

24. 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

25. • 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

26. 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.

27. 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

28. Exemplo em escala regional
- Uso de sensoriamento remoto por satelite para estimar
demanda hidrica da agricultura irrigada por pivot central

29. 29
Provided by USDA NASS, basado en imágenes Landsat y otros satélites

30. 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

31. 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 …

32. Sequencia de imágens Landsat 5, 7, 8 apresentadas no software SPIDER (UCLM)

47. Nebraska
Upper
Republican
Campos com pivots
monitoradas
Localizacao da bacia
Upper Republican River Basin no sudoeste de Nebraska

48. Balanco de agua no solo baseado em informacao por satélite
UPPER REPUBLICAN RIVER BASIN
Lamina de Irrigacao Requerida
Lamina Aplicada
(medida)

49. UPPER REPUBLICAN RIVER BASIN
Balanco de agua no solo com informacao por satélite

50. 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

51. 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.

52. Localizacao do exemplo: Delta do Rio Nilo
Desenvolvimento do produto ET diario com 375 m
de resolucao baseado no satelite VIIRS

53. 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

54. Desenvolvimento do produto ET diario com 375 m
de resolucao baseado no satelite VIIRS

55. 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

56. VIIRS 375 m ET annual (mm)
Desenvolvimento do produto ET diario com 375 m
de resolucao baseado no satelite VIIRS

57. 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

58. 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)

59. 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

60. JULY 2010
12-week composite
ET/PET anomalia estandardizada (2000-2011 base)

61. IndicedeSecaporEvapotranspiracaoporsatelite
Atmosphere-Land Exchange Inverse Model (ALEXI)
(Anderson et al., 1997, 2007)

62. MonitoramentodeSecaemtemporeal
2012 SECA REPENTINA
Mudancas mensais

63. 2002 - 2007
JAN
200220032004200520062007
FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC
Mais seco Mais Umido
-2 -1 0 1 2

64. 2008 - 2013-2 -1 0 1 2
200820092010201120122013
JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC
Mais UmidoMais seco

65. 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

66. 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/

67. 15° x 15°Malha de Processamento do Produto VIIRS ET diario sendo
gerado pelo DWFI no supercomputador da Universidade do
Nebraska-Lincoln

68. 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

69. cneale@nebraska.edu
Obrigado!