COMPARAÇÃO ENTRE CÁLCULOS DE ÁREA CONSIDERANDO A

COMPARAÇÃO ENTRE CÁLCULOS DE ÁREA CONSIDERANDO A
SUPERFÍCIE DOS MODELOS DIGITAIS DE ELEVAÇÃO (MDEs) E A
SUPERFÍCIE PROJETADA DOS MAPEAMENTOS COMUNS
LUIS CLAUDIO DA SILVA DOS SANTOS ¹
RAFAEL SILVA DE BARROS ¹ ²
PAULO FERNANDO DA SILVA PINTO ¹
[email protected]
[email protected]
[email protected]
1) UERJ – FACULDADE DE FORMAÇÃO DE PROFESSORES
2) IBGE – INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA
EIXO
TEMÁTICO:
1)
TÉCNICA
E
MÉTODOS
DE
CARTOGRAFIA,
GEOPROCESSAMENTO
E
SENSORIAMENTO
REMOTO,
APLICADAS
AO
PLANEJAMENTO E GESTÃO AMBIENTAIS.
RESUMO
Os recursos naturais são limitados e devem ser utilizados de uma maneira mais racional para que
assim se estabeleça um desenvolvimento sustentável. Para esse controle, os recursos do
geoprocessamento são fundamentais. O sensoriamento remoto, Modelos Digitais de Elevação
(MDEs), sistema de posicionamento global (GPS) e sistemas de informações geográficas (SIGs)
integram o geoprocessamento. O uso dessas tecnologias permite a combinação de distintos dados para
geração de outros. O presente trabalho consiste no cálculo da área dos usos e coberturas vegetais
considerando o relevo, com a utilização dos MDEs SRTM e da carta topográfica de Quartéis e
comparação com a área plana da Bacia do Rio São João – RJ. Os resultados obtidos mostraram uma
taxa de variação que ficou em torno de 5% para a Bacia e de quase 8% para áreas com relevo
acidentado.
Palavras Chave: Cálculo de Área Real, Geoprocessamento, MDEs.
ABSTRACT
Natural resources are limited and must be used in a more rational way for that establishment of a real
sustainable development. Geoprocessing tools such as remote sensing, Geographic Information
Systems (GIS), Digital Elevation Models (DEM) and Global Positioning System (GPS) may help to
monitor environmental process. The use such geotechnology permits to combine and integrate
different type of georeferenced data in the same system. This paper consists of calculating area of land
use and land cover considering the topography by using a DEM SRTM and topographic map of
Quartéis and the comparison of the flat areas calculated without São João river drenage basin. The
results showed a rate of change that was around 5% for the basin and nearly 8% for areas with rugged
topography.
Keywords: Calculating surface area, Geoprocessing, DEM.
Introdução
Os mapeamentos apoiados por imagens de satélites têm sido explorados como
soluções para retratação de cenários regionais. Espera-se que os levantamentos da cobertura
vegetal e uso do solo forneçam informações aos usuários comuns sobre os impactos causados
pela ação dos homens. Todavia esses mapeamentos nem sempre retratam a realidade visto que
em alguns casos não consideram a superfície real para fazer a representação dos dados.
Os grandes projetos de mapeamento têm como produto mapas em 2 dimensões (2D).
Em determinados casos, a diferença da área planimétrica para a área real, tridimensional (3D),
que leva em consideração a rugosidade do terreno pode gerar resultados com diferenças
consideráveis, ou ainda induzir a tomadas de decisões equivocadas, motivadas pela
interpretação errônea dos dados apresentados.
A utilização de novas tecnologias, ligadas ao geoprocessamento, para classificação
digital de imagens fornece novas alternativas para aumentar a velocidade, qualidade e em
alguns casos a precisão dos mapas gerados. Os Modelos Digitais de Elevação (MDEs)
apresentam diversas possibilidades de aplicações, sendo algumas citadas pelo INPE (2004):
armazenamento de dados de altimetria; análises de corte-aterro para projeto de estradas e
barragens; elaboração de mapas de declividade e aspecto; análise de variáveis geofísicas e
geoquímicas; representação tridimensional, dentre outras.
O objetivo geral do presente trabalho era quantificar os usos da terra e as coberturas
vegetais existentes na Bacia do Rio São João – RJ, considerando a superfície real do terreno,
com auxílio dos recursos do geoprocessamento e dos Modelos Digitais de Elevação e do
Terreno (MDEs e MDT).
Os objetivos específicos eram: utilizar o MDE do SRTM para realizar o cálculo de
área do uso da terra e cobertura vegetal da Bacia do Rio São João; gerar um MDT a partir da
carta topográfica Quartéis (Mapa Índice 27173) para comparar a área calculada com ele com
aquela obtida ao se considerar o MDE do SRTM e analisar a diferença entre eles; comparar os
resultados obtidos com os da superfície planimétrica.
Revisão Bibliográfica
Uma imagem tridimensional ou em três dimensões (3D) é aquela que permite perceber
que cada objeto tem altura, comprimento e largura. Ela proporciona a sensação de volume e
profundidade (FLORENZANO, 2002). Imagens ou fotografias aéreas da mesma área, porém,
obtidas de uma posição diferente, nos permitem uma visão tridimensional da passagem. Os
MDEs podem ser produzidos a partir de dados do Sensoriamento Remoto Orbital, que oferece
imagens em estereoscopia possibilitando a aquisição de dados 3D.
Para Barros (2006) existe uma variedade de terminologias para designar modelos
digitais que representam parte da superfície terrestre, sua topografia ou seu uso e cobertura. É
comum o uso dos termos MDE, MDT, MDS, MNT, MNE (Modelo Digital de Elevação, de
Terreno, de Superfície, ou Numérica do Terreno ou de Elevação) respectivamente. Fernandes
(2004) diferencia MDT de MDE pelo fato do primeiro conter apenas altimetria enquanto o
segundo pode conter outras feições além da altimetria.
Um modelo numérico do terreno MNT (em inglês, DTM = Digital Terrain Model) é
uma representação matemática da distribuição espacial de uma determinada característica
vinculada a uma superfície real. A superfície é em geral contínua e o fenômeno que representa
pode ser variado. Ou seja, o modelo pode representar tanto a variável altitude como qualquer
outra que se apresente distribuída no espaço (BARROS, 2006).
Valeriano (2008) conceitua MDE da seguinte forma: “são arquivos que contêm
registros altimétricos estruturados em linhas e colunas georreferenciadas, como uma imagem
com valor de elevação em cada pixel”. Os registros altimétricos devem ser valores de altitude
de relevo, idealmente para que o MDE seja uma representação da topografia.
Um modelo digital do terreno (MDT) é uma representação matemática computacional
de ocorrência de um determinado fenômeno espacialmente distribuído numa região limitada
da superfície terrestre. O processo de geração do MDT consiste, basicamente, em três etapas:
aquisição de dados, edição dos dados e geração do modelo.
Figura 1: Diferença entre MDE e MDT.
Área de Estudo
A região abrangida pela Bacia do Rio São João está localizada na zona leste do estado
do Rio de Janeiro, sudeste do Brasil, entre as coordenadas de 22º 22’ e 22º50’ de latitude sul e
de 42º 00’ e 42º 40’ de longitude oeste. A bacia hidrográfica do Rio São João é coberta por 5
cartas topográficas: Barra de São João, Morro de São João, Quartéis, Rio Bonito e Silva
Jardim, todas na escala 1:50.000 e que são disponibilizadas pelo IBGE e Exército (DSG).
A bacia do Rio São João pertence inteiramente ao Estado do Rio de Janeiro, mais
especificamente à baixada litorânea, onde se encontra a Região dos Lagos, compreendendo
parcialmente os municípios de Cachoeiras de Macacu, Rio Bonito, Casimiro de Abreu,
Araruama, São Pedro da Aldeia, Cabo Frio e Rio das Ostras; o município de Silva Jardim está
integralmente nela inserido (Figura 1). O Rio São João nasce na Serra do Sambê, nos
contrafortes da Serra do Mar, percorrendo a direção oeste-leste, indo desaguar no Oceano
Atlântico após 150 km de extensão.
Figura 2: Esquema de localização da área de estudo.
Adaptado de BIDEGAIN (2002).
O uso da terra na bacia do Rio São João é caracterizado por poucas cidades e muitas
áreas agrícolas; já a cobertura vegetal é constituída por remanescentes florestais, campos
inundados, pastagens e restingas. Segundo Cunha & Guerra (2008) a Bacia do Rio São João
sofreu muito com intervenções humanas. No meio físico da bacia encontram-se
empreendimentos como: a Represa de Juturnaíba, os gasodutos da TRANSPETRO, rodovias,
a ferrovia Rio-Vitória, linhas de transmissão, infra-estrutura de saneamento básico,
assentamentos rurais, exploração de areia, condomínios industriais e áreas protegidas.
A maioria dessas alterações no meio físico prejudicou a dinâmica da bacia, já que seu
ambiente natural foi modificado, desestruturando o geossistema (esse conceito aporta toda a
dinâmica ambiental e social da bacia). Devido à intensa exploração da Mata Atlântica, o que
restou de sua cobertura original encontra-se muito fragmentado, numa composição que
lembra uma colcha de retalhos, com pequenas manchas de florestas nativas isoladas em meio
às pastagens e culturas agrícolas (SAUNDERS, et al., 2004).
Materiais e Métodos
Os materiais utilizados para realizar o estudo foram: os SIGs SPRING, ARCVIEW e
ARCGIS, imagens da missão SRTM, carta topográfica de Quartéis em formato digital.
Grande parte do desenvolvimento do trabalho foi baseada nos procedimentos e materiais
utilizados por Fernandes (2004) e foi dividido da seguinte forma:
- Aquisição do MDE SRTM, reamostrado para 30m por Valeriano (2008), que recobre a área
de estudo, com a delimitação da Bacia do Rio São João e posteriores conversões de formatos
do arquivo;
- Geração de um Modelo Digital do Terreno a partir da Carta Topográfica Quartéis (Mapa
Índice 27173) na escala 1:50.000;
- Utilização do Mapa de Uso da Terra e Cobertura Vegetal desenvolvido pelo Laboratório de
Sensoriamento Remoto Espaço (UFRJ), para fins do cálculo de área;
Após a aquisição do MDE SRTM, fizemos um recorte na área de estudo e foi feita
uma conversão para o formato GEOTIFF (16 bits), pois este guarda os valores de altimetria e
permite a conversão para o formato GRID para fins de cálculos de área. Como foi feita uma
comparação com o MDT da carta de Quartéis foi necessário realizar outro recorte com a parte
da carta que faz parte da Bacia.
Para gerar o MDT a partir da carta topográfica de Quartéis, foi necessária a obtenção
da carta topográfica em formato digital. Isso foi facilitado, pois o IBGE disponibiliza cartas
no formato (*.dgn), que permite conversão para formato shapefile (*.shp). De posse do
arquivo, foi criado um shape para inserção dos valores de cotas das curvas e pontos cotados.
Para realizar os cálculos de área das coberturas vegetais, foi necessária a adaptação do
mapeamento cedido pelo Laboratório de Sensoriamento Remoto Espaço (UFRJ). Os cálculos
de área real foram feitos com o auxílio do software ARCVIEW. Essa extensão permite o
recorte do MDE e o cálculo considerando a superfície tridimensional, tanto sobre um TIN
quanto sobre a grade regular (GRID).
Resultados Obtidos
A cobertura com maior área na Bacia do Rio São João é a pastagem que corresponde a
aproximadamente 56% da Bacia. O mapa de uso da terra, já apresentado anteriormente,
representa isso de forma mais detalhada. Com relação aos resultados, a taxa de variação entre
as áreas reais e projetadas foi de aproximadamente 5%, visto também que as maiores
distinções ocorreram nas regiões com relevo acidentado.
A maior taxa de variação ficou por parte da área sem classificação (11%) definida pela
equipe de mapeamento da UFRJ. A classe Sombra1 foi a segunda que mais variou com algo
em torno de 10 % visto que sua localização se dá em áreas de relevo acidentado. Seguindo a
mesma linha é necessário destacar também a mudança da cobertura de floresta, pois se
considerarmos os dois tipos de floresta (menos densa e densa) a discrepância chega a quase
12% da área real para a projetada. Por possuir a maior área na Bacia, a classe pastagem
também sofreu uma boa taxa de variação.
Figura 3: Mapa de Uso da Terra e Cobertura Vegetal da Bacia do Rio São João na escala 1:50.000 que
ano de 2008. Fonte: Laboratório de Sensoriamento Remoto Espaço (UFRJ).
1
data do
A classe sombra representa a parte das montanhas e morros que não recebem a luz do Sol e dessa
forma não emitem radiação. Assim fica difícil identificar a cobertura vegetal dos morros, mesmo sabendo, por
experiência de campo, que a sombra desse mapeamento é quase sempre floresta.
É importante salientar que a Bacia do Rio São João conta atualmente com duas
Reservas Biológicas (Poço das Antas e União) sendo que a segunda faz limite com a Bacia
não estando totalmente inserida nela. Essas reservas têm possibilitado uma preservação na
fauna e flora da região; com isso é bem provável que a classe floresta volte a ganhar área nos
próximos anos.
Tabela 1: Comparação entre os usos e coberturas na Bacia do Rio São João considerando o
MDE SRTM.
Classe
Área em Superfície
Real (m²)
Área em Superfície
Planimétrica (m²)
Diferença (m²)
Diferença
(%)
Água
43401331,92
43340000,04
61331,8747
0,14
Área Agrícola
273396568,8
271613402,3
1783166,51
0,66
Brejo
10027584,03
10017400
10184,0243
0,10
Dunas
6000,6203
6000,0001
0,6202
0,01
237364463,3
224029800,2
13334663
5,95
590350534
557495475,9
32855058,1
5,89
Mangue
1940713,882
1939599,996
1113,8861
0,06
Solo Exposto
116820598,4
114682799,6
2137798,82
1,86
Urbano
20487948,37
20454799,99
33148,3795
0,16
Sombra
2621095,191
2364199,993
256895,199
10,87
Pastagem
1021841098
953812355,8
67228742,1
7,17
Sem Classificação
Área Total das
Classes
7273794,447
2325531731
6536999,947
2206292834
736794,5
119238897,2
11,27
5,40
Floresta Menos Densa
Floresta Densa
Numa comparação entre os dois MDEs ficou comprovado que o SRTM acaba
resultando em áreas maiores que o MDT da carta Quartéis. A Tabela 2 apresenta as diferenças
de área entre os dois modelos.
Tabela 2: Comparação entre o MDE SRTM e MDT da Carta Quartéis.
COMPARAÇÃO ENTRE O MDE SRTM E O MDT DA CARTA TOPOGRÁFICA QUARTÉIS
Classes
Área em Superfície Real do MDE
Área em Superfície Real do
Diferença
Temáticas
da Carta (m2)
MDE SRTM (m2)
em m2
Água
105449,11
105525,60
76,48
Área Agrícola
1135724,54
1144027,94
8303,40
Floresta Menos
Densa
36047851,03
36378431,36
330580,33
Floresta Densa
140112288,13
140177486,50
65198,37
Pastagem
Solo Exposto
Sombra
Área Sem
Classificação
Área Total das
Classes
41476045,18
4330763,71
83208,22
41685410,28
4390411,74
84594,94
209365,10
59648,03
1386,72
2804572,26
2805707,42
1135,17
226095902,18
226771595,78
675693,60
Algumas proposições podem ser feitas a partir dos resultados obtidos:
- O MDT feito a partir da carta Quartéis apresentou sempre resultados menores em superfície
real do que o MDE SRTM. Mesmo com a inserção de valores de cotas no arquivo original o
interpolador não realizou o trabalho de forma satisfatória;
- O MDE SRTM resultou em áreas maiores para todas as classes, inclusive água, e com a
correção realizada por Valeriano (2008) os dados ganharam em qualidade. Com relação à
atualização, os dados são muito mais recentes que os das cartas, datando do ano 2000 e não
apresentam problemas com os topos dos morros;
- O MDE SRTM mostrou-se mais eficiente em relação ao tempo de processamento dos dados;
- Mesmo sendo considerado por alguns autores como o melhor para realização de cálculos em
superfície real, o modelo TIN (Grades Triangulares) não possibilitou seu neste trabalho, por
causa de processamento dos dados, sendo necessária sua conversão para GRID (Grades
Retangulares); e
- O modelo TIN apresentou problemas nos triângulos que impediram os cálculos de área, isso
pode ter ocorrido por causa dos topos aplainados que provocaram ‘quebras’ nos triângulos.
Considerações Finais
Ficou provado que análises considerando as irregularidades expressas pela morfologia
da superfície terrestre, por intermédio dos MDEs, permitem que as observações de uma
paisagem deixem de ser subestimadas e possam mostrar uma realidade diferente em relação às
mensurações mais usuais, que consideram somente a superfície projetada.
A metodologia adotada com a geração de MDT e utilização dos MDEs foi considerada
satisfatória, contudo, é necessário salientar que necessita-se de uma aplicação de métodos que
facilitem a confecção destes modelos. Mesmo com os recursos das geotecnologias, cada vez
mais avançadas, ficou evidente as dificuldades para a resolução de pequenos problemas que
pareciam simples, como os morros com topos aplainados e o recorte do modelo TIN.
O MDT gerado a partir de cartas topográficas possui dificultadores que necessitam de
estudos mais profundos, pois alguns erros deste modelo acabam gerando problemas na análise
final. Os topos sem cotas originais que acabam ficando aplainados foi o principal limitador do
trabalho. Outro ponto que pode ser destacado como dificuldade é que o mapeamento
topográfico do país não tem sido alvo de grandes atualizações. Essas atualizações podem ser
resolvidas com trabalhos de campo, o que para o presente trabalho não foi possível. Esses
fatos acabaram prejudicando um pouco a comparação entre o MDE SRTM e o MDT da carta
topográfica Quartéis.
Uma forma de correção do modelo das cartas topográficas poderia ser a utilização de
um MDE que possibilite uma melhor visualização dos objetos. O modelo do PRISM/ALOS
seria uma boa alternativa, visto que as imagens desse sensor vêm sendo distribuídas pelo
IBGE a um custo extremamente baixo para usuários não comerciais.
De qualquer forma fica comprovada a importância dessas medições para leituras mais
precisas, uma vez que minimiza drasticamente alguma espécie de mascaramento ou
informações escondidas, que podem ser geradas por observações planimétricas. Lógico que o
mapeamento sistemático em duas dimensões (2D) possui uma grande importância para o país,
todavia é necessário considerar também novas formas de apresentação dos dados.
O domínio da metodologia de confecção de MDT foi, sem dúvida, o principal ganho
do estudo, visto que possibilitará uma base para estudos futuros. Os erros cometidos durante o
processo metodológico, muito em parte por falta de conhecimento, dificilmente serão
cometidos novamente.
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