Processamento Digital de Imagens LANDSAT como - DSR

Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE
Processamento Digital de Imagens LANDSAT como auxílio à classificação e análise da
evolução da mancha urbana de Juiz de Fora-MG entre os anos de 1990 e 2011.
Alan Bronny Almeida Pires de Moura¹
Waltencir Menon Júnior¹
Rosana Lino de Faria¹
Ricardo Tavares Zaidan¹
¹LGA - DGEO/ICH Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF
José Lourenço Kelmer, s/n. Bairro São Pedro – 36036-900 – Juiz de Fora - MG, Brasil
{alan.bronny, waltencirjunior}@hotmail.com
[email protected]
[email protected]
Abstract. From the 90s the city of Juiz de Fora, located southeast of the state of Minas Gerais has undergone a
revival of its economy and since then has been highlighted as a major investment receptor, attracting a larger
population to region. As a result the city has been undergoing a series of transformations spatial which result in a
restructuring of the urban area of the city. In this sense this study aimed to characterize the evolution of the urban
municipality of Juiz de Fora between the years 1990 and 2011, through the digital image processing of Landsat 5 using remote sensing techniques in conjunction with the GIS (Geographic Information Systems). The maps of
the urban sprawl of the city were generated by supervised classification using the technique of Maximum
Likelihood (MAXVER) from the Landsat 5 satellite images, using both to the image processing software ENVI.
The classification results showed that there was a very significant increase in the urban area of the city in all
directions, setting an overall increase of 23,341 km ² representing a growth rate of 74.1% compared to 1990.
From a partial analysis of comparative data obtained with the map Administrative Regions of the urban area, it
was found that the fastest growing region in the last 21 years was the West Region.
Palavras-chave: geoprocessing; image processing; land use; geoprocessamento; processamento de Imagens; uso
da terra.
1. Introdução
A partir da década de 90, Juiz de Fora passou por uma reativação de sua economia e uma
intensificação dos esforços por parte do poder público local visando atrair novos
empreendimentos industriais para o município (OLIVEIRA, 2006). Desde então a cidade vem
se destacando como um grande pólo receptor de investimentos, aumentando às ofertas de
empregos e possibilitando melhores condições de vida para seus habitantes, o que por
consequência tem atraído um maior contingente populacional, oriundos da Zona da Mata
Mineira e proximidades.
Devido ao acelerado aumento populacional observa-se que nessas últimas décadas a
cidade vem passando por uma série de transformações espaciais que configuram um papel
central no processo de reestruturação da mancha urbana do município. Tal processo de
transformação espacial somado ao planejamento urbano inadequado muitas vezes leva a um
sério problema que ocorre na maioria das cidades brasileiras e principalmente nas de porte
médio: a expansão urbana desordenada.
Sabe-se que o ser humano em suas necessidades busca encontrar sempre um lugar para se
desenvolver. Dessa forma, o espaço físico ocupado pelo homem cresce constantemente
fazendo com que haja a necessidade de se estabelecer meios e técnicas que possibilitem o
monitoramento e o mapeamento dessas áreas para um melhor ordenamento espacial. Dentre
tais técnicas destacam-se então as técnicas de sensoriamento remoto em conjunto com os
Sistemas de Informações Geográficas (SIG’s) que atualmente se apresentam como
ferramentas indispensáveis em estudos aplicados ao mapeamento e monitoramento dos
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diferentes tipos de uso e ocupação do espaço físico territorial, permitindo obter informações
sobre objetos sem ter a necessidade de um contato físico direto com eles.
Dessa forma o presente trabalho teve como objetivo caracterizar a evolução da mancha
urbana do município de Juiz de Fora entre os anos de 1990 e 2011, através do processamento
digital de imagens de satélite Landsat – 5. Para tanto foram utilizandas técnicas de
sensoriamento remoto em conjunto com os SIGs (Sistemas de Informação Geográfica)
destacando dessa forma a importância do Geoprocessamento com ênfase em Sensoriamento
Remoto no estudo do planejamento urbano. Esse estudo integra dos um dos projetos
desenvolvidos no Laboratório de Geoprocessamento Aplicado da Universidade Federal de
Juiz de Fora (LGA/UFJF).
2. Área de Estudo
O município de Juiz de Fora, localiza-se na mesorregião da Zona da Mata Mineira a
Sudeste do Estado de Minas Gerais (Figura 1), possui uma área total aproximada de
1.429,875 km² e sua população é de aproximadamente 516.247 habitantes segundo dados do
Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE, 2010).
Economicamente a região se localiza em uma posição geográfica privilegiada, uma vez
que se encontra no eixo econômico Belo Horizonte - Rio de Janeiro - São Paulo, o que
também contribuiu significativamente para o desenvolvimento da região.
O relevo onde se encontra a cidade é bastante dissecado apresentando variações de
altitudes significativas que formam os ―mares de morros‖ constituídos por ondulações
côncavo-convexas. Essas feições geomorfológicas tiveram grande contribuição na forma com
que a malha urbana da cidade se expandiu. Inicialmente a ocupação da cidade ocorreu de
forma linear no vale do rio Paraibuna, pois nessa área a topografia viabilizou a criação de uma
via principal, a partir daí os vales secundários e as encostas foram então sendo ocupados.
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O município possui seu território dividido em área urbana e área rural. Fazem parte da
área urbana os lugares sobre os quais a cidade se expandiu e os outros representam direções
em que a cidade pode crescer. Na área rural do município, encontram-se pequenas e médias
propriedades em que se se observa o predomínio de pecuária leiteira e uma agricultura de
subsistência e hortifruticultura.
3. Materiais e Métodos
Para a realização dos procedimentos de georreferenciamento, tratamento, recorte da área
de estudo e classificação das imagens foi utilizado o software ENVI (Environment for
Visualizing Image) que possui todo um aparato de ferramentas profissionais para análise e
processamento de imagens geoespaciais o que permitiu extrair as informações necessárias das
imagens para o objetivo proposto.
Quanto aos dados foram utilizadas imagens digitais do satélite LANDSAT-5 sensor TM
(Thematic Mapper), referentes à cena 217-75 com datas de 29/04/1990 e 13/08/2011, e
disponibilizadas através do catalogo digital do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
(INPE), além de dados cartográficos do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE).
Toda a base de dados foi georreferenciada por meio de pontos de controle referentes à
drenagem do Rio Paraibuna e padronizada em elipsoide de referência WGS-84 com projeção
cartográfica UTM (Projeção Universal Transversa de Mercator).
A técnica de classificação de imagens consiste em métodos para extrair informações de
uma determinada área de interesse a partir do reconhecimento de padrões e elementos
homogêneos presentes em uma imagem cuja a finalidade é o mapeamento de áreas da
superfície terrestre. Para a classificação e extração da região de interesse referente à mancha
urbana da cidade usou-se a técnica de classificação digital supervisionada por Máxima
Verossimilhança (MAXVER), que consiste no método mais empregado em sensoriamento
remoto.
Na classificação supervisionada por Máxima Verossimilhança, basicamente se extrai uma
certa quantidade de amostras de treinamento (pixels) para cada região de interesse desejada. A
partir disso, o classificador, baseando-se no valor radiométrico do pixel e utilizando regras
estatísticas pré-estabelecidas, identifica e classifica toda a área em análise para as classes de
interesse (MARTINS et al., 2011). O resultado obtido por meio desse classificador, em geral,
possui uma aparência ruidosa, uma vez que o contexto espacial não é considerado
(CORREIA, 2007).
Levando em consideração o interesse do presente estudo que é a mancha urbana da cidade
optou-se estabelecer apenas duas classes: urbano (mancha urbana) e não-urbano (todo o resto:
vegetação, corpos hídricos, solo exposto e pastagem).
4. Resultados e Discussão
A seguir na figura 2 são mostradas as imagens obtidas pelo sensor TM do satélite Landsat
5, devidamente tratada e recortada, que retratam a mancha urbana de Juiz de Fora dentro do
limite urbano legal do município em dois momentos distintos, com um intervalo de 21 anos
(nos anos de 1990 e 2011). Para a composição da imagem foram utilizadas as bandas R5, G4,
B3 que registra informações na faixa espectral infravermelho médio, infravermelho próximo e
visível, respectivamente, ideal para extração de informações referentes ao uso e ocupação da
terra.
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A partir de uma análise e interpretação visual por meio de técnicas de fotointerpretação
foi possível perceber que nas imagens, a cor preta indica a presença de água e sombra, as
manchas brancas indicam solo exposto e as cores rosa e bege indicam vegetação rasteira
geralmente se configurando em pastos. O verde configura a vegetação sendo que quanto mais
intensa a tonalidade mais densa será a cobertura vegetal. Por fim, a cor roxa representa a
classe de interesse desse estudo, a mancha urbana. Em geral, quanto mais escuro for o tom
mais adensada será a ocupação do lugar.
Após realizar o processo de classificação das imagens Landsat 5, foi possível observar de
forma mais clara a evolução da mancha urbana do município (figura 3) e realizar uma análise
comparativa referente aos anos de 1990 e 2011 através dos dados quantitativos que serão
observados na tabela 1.
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Após a escolha das datas das imagens Landsat procurou-se trabalhar com os dados do
Censo do IBGE mais próximos. De acordo com os dados referentes ao censo de 1991, a
população de Juiz de Fora era de aproximadamente 385.996 habitantes, enquanto que em
2010 a população da cidade se encontrava em torno de 516.247 habitantes. Ou seja, houve um
acréscimo de 130.251 habitantes, que configura um incremento aproximado de 33.7% nesses
19 anos entre os censos, ou uma média de crescimento de 6,8 mil habitantes por ano.
Com esse incremento populacional fica claro a expansão da cidade. De acordo com
Fuckner (2005) é necessário destacar que o crescimento urbano pode ocorrer tanto de forma
compacta (dense-onion) quanto dispersa (leapfrog). O dense-onion ou compactação
manifesta-se predominantemente no centro urbano, através do aumento do parcelamento do
solo e da verticalização das residências que se configuram nos prédios. Diferentemente, o
padrão de crescimento leapfrog ou disperso é observado, sobretudo na expansão das
periferias, e é principalmente esse crescimento que fica visível para nós através do
sensoriamento remoto.
Assim analisando os dados extraídos da classificação a partir das imagens de satélite, foi
constatado que a mancha urbana de Juiz de Fora cresceu consideravelmente em 21 anos,
conforme apresentado na tabela 1:
Inicialmente, podemos observar que a mancha urbana de Juiz de Fora em 2011 ocupa
apenas 54,837 km² aproximadamente, ou seja, pouco mais de 13% da área urbana legal, o que
deixa desocupado quase 87% do espaço legalmente considerado urbano.
O perímetro urbano da cidade foi delimitado por meio da Lei 6910 de 31 de maio de 1986
que dispõe sobre o ordenamento do uso e ocupação do solo no município de Juiz de Fora. De
acordo com o plano diretor da cidade este perímetro é considerado grande em relação à área
efetivamente urbanizada. Mas, optou-se por manter esse limite por considerar que, apesar do
baixo índice de urbanização na maior parte de sua área, a ocupação poderá ser melhor
controlada estando dentro do âmbito deste plano.
Foi observado que ao se trabalhar a mancha urbana através da classificação
supervisionada, o valor obtido não representa a mancha urbana como um todo, já que o
classificador considerou como urbano apenas as construções físicas antrópicas como, por
exemplo, ruas, prédios e casas. Já nos locais como praças, parques e terrenos que estejam na
mancha urbana e apresentem feições naturais como vegetação ou corpos hídricos, não foram
considerados devido às diferenças das respostas espectrais de cada classe. No entanto, sendo a
ocupação residencial, industrial e comercial os principais definidores na estrutura da mancha
urbana de uma cidade, a utilização dessa técnica se valida.
Através dos dados de 1990 e de 2011 foi possível observar que houve um aumento
significativo na mancha urbana da cidade em todas as direções, configurando um total de
23.341 km² que representa uma taxa de crescimento de 74,1%. Com a finalidade de pontuar
os locais onde o crescimento urbano foi mais intenso e destacar algumas das características
dessas áreas, adotou-se em conjunto com os mapas de classificação da mancha urbana, o
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mapa das regiões administrativas (norte, oeste, sul, leste, sudeste, centro e nordeste) que
compõe a área urbana da cidade (figura 4).
Dessa forma percebeu-se que a Região Norte ocupa a maior parte da área urbana da
cidade e é em contrapartida a região que apresenta a menor taxa de mancha urbana em relação
a sua área. A explicação para isso se deve em parte pela presença da represa Dr. João Penido
que ocupa boa parte da região e está sujeita as leis de proteção de mananciais, de forma que,
não há incentivos para a ocupação da área nem de seus limites, sendo considerada irregular
qualquer ocupação dentro da área preservada. Apesar disso, nessa região houve um
crescimento muito significativo nesses 21 anos, destacando principalmente o bairro Benfica,
cuja ocupação se iniciou concomitantemente ao centro da cidade e tem passado por um
processo de expansão bastante intenso nos últimos anos. Outros bairros também se destacam
nas manchas acrescidas na parte noroeste do mapa de 2011 sendo: Santa Cruz, Nova Era,
Jardim Natal e Francisco Bernardino.
Na região nordeste do mapa a principal mancha urbana que evoluiu é referente ao bairro
Grama que teve como eixo estruturador a rodovia MG-353 ligando o bairro ao centro e
integrando-o à malha urbana. Outro destaque no crescimento da mancha urbana pode ser
observado na região dos bairros Parque Independência e bairro Filgueiras que praticamente
inexistia no ano de 1990.
A principal diferença da mancha urbana na Zona Leste da cidade foi o crescimento do
bairro Linhares, que em 1990 ocupava apenas as áreas planas (pequena mancha isolada do
centro) que com o passar do tempo foi se adensando, fazendo com que as encostas íngremes
fossem também ocupadas, o mesmo ocorreu com o bairro Santa Rita.
O Centro é a região em que menos se observou mudanças. Nesta região o crescimento se
dá principalmente de forma compacta (dense-onion), através do aumento do parcelamento do
solo (lotes) e da verticalização das residências que se configuram nos prédios, sendo que esse
ultimo não fica visível através das imagens de satélite.
A Região Administrativa Oeste em que se encontra a Cidade Alta ou Bairro São Pedro é a
área que apresentou maior crescimento urbano. Através da figura 4 percebe-se que no ano de
1990 a área ainda apresentava um índice de ocupação urbano muito baixo. Mas é importante
destacar que ainda nas décadas de 60 e 70 houve um importante marco na intensificação do
processo de ocupação urbana de toda essa região, e é a partir desse momento que começa a
ocorrer um acréscimo demográfico marcado por uma série de intervenções na estrutura
urbana da cidade que passa então a ―estimular‖ ainda mais a ocupação dessa área: houve a
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construção da Avenida Independência fazendo a ligação da região da Cidade Alta com o
Centro, além da implantação da Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF, o aeroporto, o
estádio municipal e a rodovia BR-040. De acordo com o plano diretor da cidade a Região
Oeste apresenta-se, como ―área de expansão urbana‖ por sua posição geográfica estratégica,
aliada à presença de áreas de grande beleza natural. Há décadas a região vem sendo apontada
como de grande potencial para o crescimento da cidade. No final da década de 70, a Prefeitura
realizou o Plano Diretor da Cidade Alta no intuito de incentivar a expansão urbana para
aquela região.
As Manchas Urbanas da Região Sul são formadas principalmente pelos bairros Santa
Efigênia, Teixeiras e Bela Aurora que caracterizam-se por uma ocupação mais antiga e mais
adensada. O Bairro Cascatinha também tem um crescimento bastante interessante e hoje
possui uma ocupação praticamente consolidada com residências de alto padrão e baixo
volume. A ocupação da região vai diminuindo à medida que se avança para os limites
municipais do sul, até apresentar faixas de vazios urbanos.
Por fim se destaca na Região Sudeste o crescimento da mancha urbana referente
principalmente ao Bairro Nossa Senhora de Lourdes e Barão do Retiro. Nessa região foi
observado um baixo volume de mancha urbana e um crescimento também baixo se
comparado com outras regiões.
5. Considerações Finais
Conclui-se que o uso de técnicas de sensoriamento remoto em conjunto com os Sistemas
de Informações Geográficas (SIGs) se demonstraram eficazes, uma vez que, foi possível
identificar a evolução da mancha urbana do município de Juiz de Fora, comparando os
resultados da classificação supervisionada de imagem de satélite para dois períodos distintos:
1990 e 2011.
Constatou-se que as regiões que tiveram crescimento urbano mais intenso foram as Norte
e Oeste, sendo que essa última recebeu e ainda hoje recebe incentivos para sua ocupação
resultando no grande aumento de sua mancha urbana. As regiões que menos se observaram
mudanças na mancha urbana foram a Sudeste e Centro, sendo que no Centro o crescimento
ocorreu principalmente de forma vertical (prédios).
6. Agradecimentos
Agradecemos ao Departamento de Geociências da Universidade Federal de Juiz de Fora,
à PROPESQ/UFJF e ao CNPq pela concessão de bolsas de IC e de mestrado, que auxiliaram
na execução deste projeto.
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