Determinação de clorofila-a utilizando sensor hiperespectral e análise da qualidade da água da Lagoa da Pampulha - MG

Monitoring aquatic environments in urban watersheds is essential to understand water quality dynamics and the effects of incident pollution. The objective of this study was to analyze the use of a hyperspectral sensor to monitor chlorophyll-a (chl-a) in Pampulha Lagoon, where sediment inputs and industrial and domestic effluents cause significant impacts. The empirical methodology was employed, where the Support Vector Regressor (SVR), Random Forest Regressor (RFR), XGBoost (XGB), and linear regression (LR) algorithms were tested in constructing a model to estimate chla concentrations in the reservoir. Laboratory experiments were conducted to validate the sensor's methodology, which was used to estimate chl-a concentration through the Raphidocelis subcapitata algae. Uni- and multivariate statistical analyses were applied to secondary and primary data to characterize the spatial and temporal water quality of the reservoir. Based on the statistical analyses of secondary data between 2013 and 2021, it was found that chl-a, cyanobacteria density, and total phosphorus significantly exceeded the limits established by legislation, especially at the upstream sampling point where the main tributaries, Ressaca and Sarandi streams, discharge into the reservoir. Despite interventions with Phoslock® and Enzilimp® products since 2016, there was no reduction in phosphorus levels, the main focus of the treatment, which is considered the main influence on the high rate of primary production in the lagoon. The monthly primary data collected between March 2022 and February 2023 revealed that the region near the main tributaries had the worst water quality indices. The waste retention curtain installed in 2016 also had an influence, with the upstream region exhibiting worse pollution indices. The proximity of the main tributaries and the shallower water column in the region are possible causes of these results. Cluster analysis confirmed these findings and indicated the presence of a fourth compartment in the lagoon, in addition to the three regions represented by the IGAM monitoring points, just after the curtain, which may indicate the need to expand the monitored points in the reservoir. In the laboratory analysis, a high correlation was observed between the images captured by the sensor and chl-a (R2 = 0.9942 and RMSE = 3.42 µg/L) using partial least squares regression. In the field analysis, among the observed models, the algorithm that best adapted to the data pairs, hyperspectral images, and chl-a concentrations, was SVR (R2 = 0.81 and RMSE = 6.87 µg/L). The hyperspectral sensor demonstrated good performance in estimating both monospecific algal samples and predicting chl-a in an environment with high dynamics of sediment and dissolved compound concentrations, representing an alternative for chl-a monitoring in Pampulha Lagoon. However, further studies are needed to analyze whether the results occurred due to the actions of the government, as the dynamics of parameters, especially phytoplankton, can be influenced by various factors such as climate change.

Monitorar ambientes aquáticos em bacias hidrográficas urbanas é essencial para se conhecer a dinâmica da qualidade da água e os efeitos da poluição incidente. O objetivo deste estudo foi analisar a utilização de um sesor hiperespectral para monitorar clorofila-a (chl-a) na Lagoa da Pampulha, onde o aporte de sedimentos e de efluentes industriais e domésticos provocam significativos impactos. Foi utilizada a metodologia empirica, onde os algoritmos Support Vector Regressor (SVR), Random Forest Regressor (RFR) e XGBoster (XGB) e regressão linear (RL) foram testados na construção do modelo para estimar as concentrações de chl-a no reservatório. Experimentos em laboratório foram realizados para validar a metodologia de funcionamento do sensor, que foi utilizado para estimativa da concentração de chl-a, através da alga Raphidocelis subcapitata. Análises estatísticas uni e multivariadas foram aplicadas aos dados secundários e primários para caracterizar, de forma espacial e temporal, a qualidade das águas do reservatório. A partir das análises estatísticas dos dados secundários, entre 2013 e 2021, constatou-se que chl-a, densidade de cianobactérias e fósforo total ultrapassaram significativamente o limite estabelecido pela legislação, principalmente no ponto amostral a montante do reservatório onde deságuam os principais afluentes, os córregos Ressaca e Sarandi. Mesmo com as intervenções com os produtos Phoslock® e Enzilimp®, a partir de 2016, não houve redução dos níveis de fósforo, principal foco do tratamento, parâmetro este, que é apontado como a principal influência para a alta taxa de produção primária na lagoa. Os dados primários coletados mensalmente, entre março de 2022 e fevereiro de 2023, revelaram que a região próxima aos principais tributários detém os piores índices de qualidade da água. A cortina retentora de resíduos, instalada em 2016, também apresentou influência, com a região a montante expondo piores índices de poluição. A proximidade dos principais tributários e a menor profundidade da coluna da água na região são as possíveis causas destes resultados. A análise de cluster comprovou tais resultados e indicou a presença de um quarto compartimento na lagoa, além das três regiões representadas pelos pontos de monitoramento do IGAM, que se encontra logo após a cortina, o que pode denotar a necessidade de ampliação dos pontos monitorados no reservatório. Na análise de laboratório foi observada alta relação entre as imagens captadas pelo sensor e a chla (R2 = 0,9942 e RMSE = 3,42 µg/L), utilizando a regressão de mínimos quadrados parciais. Na análise de campo, dentre os modelos observados, o algoritmo que melhor se adaptou aos pares de dados, imagens hiperespectrais e concentrações de chl-a, foi o SVR (R2 = 0,81 e RMSE = 6,87 µg/L). O sensor hiperespectral apresentou boa performance para estimar tanto as amostras monoespecíficas de algas, quanto para prever chl-a em um ambiente com alto dinamismo de suas concentrações de sedimentos e compostos dissolvidos, representando uma alternativa para monitoramento de chl-a na Lagoa da Pampulha. Entretanto, são necessários estudos complementares para analisar se os resultados ocorreram em função das ações do poder público, pois a dinâmica dos parâmetros, principalmente do fitoplâncton, pode ser influenciada por diversos fatores, como as alterações climáticas.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior