Levantamento de solos e relevo por sensoriamento remoto

No levantamento de recursos naturais, a fotografia aérea tem exercido um papel proeminente. As técnicas fotogramérticas foram precursoras de metodologias muito úteis na geração de modelos topográficos (foto-restituição), na interpretação e na classificação do território. O termo fotopedologia se refere à técnica de foto- interpretação dedicada ao levantamento do solo; seu emprego foi incorporado na bibliografia especializada pela crescente importância do uso de fotografias aéreas em estudos do solo. Ainda na atualidade, com poucas exceções, as técnicas fotogramétricas constituem a ferramenta de mapeamento mais prática usada pelos cientistas do solo (AMARAL; AUDI, 1975; BITTENCOURT, 1975; DENT; YOUNG, 1981; USDA, 1993; IBGE, 2007).

Dada a profusão das técnicas aerofotogramétricas em levantamentos de solo, o advento do sensoriamento remoto orbital (com dados espectrais) suscitou algumas iniciativas em relação ao potencial de sua aplicação na pedologia, embora o princípio da análise espectral do solo difere significativamente da tradicional foto-interpretação. Enquanto na primeira tenta-se identificar os fatores que causam a formação de um tipo particular

de solo, pela segunda abordagem tenta-se identificar diretamente as suas características superficiais (WONG et al., 1977).

A partir de dados obtidos na região do espectro óptico (0,4 µm a 2,5 µm), é possível extrair informações do solo pela interpretação das curvas (assinaturas) espectrais, as quais refletem as características físico-químicas dos seus componentes (minerais, água, ar, matéria orgânica). Estes dados também permitem o reconhecimento da cor do solo de uma forma mais precisa do que, por exemplo, a comparação visual com as cores da tabela Munsell (EPIPHANIO et al., 1992; FORMAGGIO, 1983; NETTO, 2001; STONER et al.,1980). A caracterização dos solos na região das microondas (1 cm até 100 cm) é possível pela extração da constante dielétrica desses componentes a partir do sinal de retorno. O valor desta constante, controlado pela umidade e temperatura do solo, reflete principalmente suas propriedades físicas e muda em relação à freqüência ou à polarização do sinal (DOBSON; ULABY, 1998).

Embora as premissas da análise espectral de solos mostram-se claras, os dados espectrais de SR geralmente são de utilidade limitada na detecção de características sub- superficiais do substrato, a menos que estas tenham alguma expressão superficial que possa ser extrapolada à profundidade. A exatidão na identificação de solos pela aplicação de técnicas espectrais é degradada por ruídos causados pela cobertura vegetal, condições atmosféricas, instabilidade dos sensores, ângulos de iluminação e por não considerar as características topográficas da superfície. Dadas estas e outras limitações do SR espectral, este não pode ser aplicado isoladamente em estudos pedológicos; para fazer inferências acerca do solo são requeridos outros elementos da paisagem (tais como a topografia, vegetação ou padrões da drenagem) e de observações de campo (WONG et al., 1977; McBRATNEY et al., 2003; JENSEN, 2007).

Sem modificar o princípio dos levantamentos tradicionais, pode-se substituir o trabalho de foto-restituição por análises de representações digitais da topografia, geralmente sob a forma de Modelos Digitais de Elevação (MDE). Os MDE são arquivos de cotas altimétricas estruturadas em linhas e colunas referenciadas em correspondência à sua posição geográfica, da mesma forma que imagens de satélite. São tratados mediante

diversos recursos de estruturação, análise e consulta dos SIG. Grande parte dos mapeamentos sistemáticos existentes foi construída com dados de altitude extraídos por métodos fotogramétricos a partir de pares estereoscópicos de fotografias aéreas, e foram representados em curvas de nível. A partir destes, é possível construir um MDE que, abstraída sua resolução, forma uma representação contínua da elevação do terreno. O MDE é o ponto inicial do que se derivam as informações topográficas em SIG, e para conseguir uma representação mais detalhada do terreno são preferidos os modelos com maior resolução espacial (BURROUGH; McDONNELL, 1998).

O Radar de Abertura Sintética (SAR: Synthetic Aperture Radar) proporciona dados de alta resolução espacial para a modelagem do MDE. Por esta razão, a partir da década de 1980, com o surgimento do Shuttle Imaging Radar (SIR), numerosas pesquisas têm-se direcionado ao desenvolvimento tanto da tecnologia SAR como das metodologias para a extração de MDE. Dados SAR podem ser processados por clinometria, estereoscopia, interferometria ou polarimetria (TOUTIN; GRAY, 2000):

a) Clinometria. Lugares sombreados (shade), projeção dos objetos (shadow) e áreas ocultas (occluded areas) são usados para extrair, a partir de uma única imagem, a altitude relativa de objetos ou da superfície topográfica na direção do range ou perpendicular à linha de vôo;

b) Estereoscopia. Os princípios de disparidade binocular, paralaxe e ângulo de convergência (parallactic angle) da visão estereoscópica são usados em radargrametria para calcular a altitude do terreno. Dados tridimensionais são obtidos a partir de imagens de um mesmo local adquiridas em diferentes geometrias de visada;

c) Interferometria. Dadas a diferença de fase ou correlação (coerência) entre duas imagens do mesmo local, a geometria de aquisição e um datum apropriado, através de triangulação podem ser estimados a diferença de altitude entre dois pontos ou o deslocamento de um mesmo ponto do terreno. Estas imagens são adquiridas simultaneamente por duas antenas em posições diferentes (single- pass interferometry) ou com uma antena ocupando duas posições orbitais

sucessivas (repeat-pass interferometry). O vetor de separação entre as duas posições de coleta é conhecido como linha base interferométrica (interferometric base line ou B). Esta técnica é conhecida como Interferometric SAR (InSAR);

d) Polarimetria. Declividades podem ser calculadas diretamente pela informação polarimétrica de uma única imagem SAR, na direção do azimute (paralela à linha de vôo), sem algum conhecimento prévio do terreno. Pela integração dos perfis de declividade na direção do azimute podem ser derivadas as altitudes relativas. Para obter altitudes absolutas, é necessário obter um ponto de altitude conhecida ao longo de cada perfil.

O MDE da missão SRTM se constitui numa fonte de informações topográficas complementar ao uso de fotografias aéreas em levantamentos dos recursos naturais, muito útil em escalas de reconhecimento (1:100.000) e menores. A Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) foi um projeto cooperativo entre a National Aeronautics and Space Administration (NASA) e a National Imagery and Mapping Agency (NIMA), do departamento de defesa dos Estados Unidos, junto às agências Deutschen Zentrum für Luft - und Raumfahrt (DLR) e Agenzia Spaziale Italiana (ASI). O sistema foi desenhado para usar dois single-pass radar interferometer na coleta de dados interferométricos (bandas C e X) para produção do MDE da superfície da terra entre as latitudes 60°N e 56°S. Os sistemas sensores da SRTM foram lançados a bordo do Space Shuttle Endeavor, a 223 km de altura e com inclinação orbital (ângulo entre o plano da órbita do sensor e o plano do equador terrestre) de 57°. Coletaram dados durante 10 dias, entre 11 e 22 de fevereiro de 2000; durante a missão foram completadas 176 órbitas, das quais foram usadas 159 na operação de mapeamento. Os dados da banda C cobrem 119 milhões de km2 e foram processados pelo Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA; a DLR foi responsável pelo processamento dos dados da banda X que cobriram 58 milhões de km2. O produto X-SAR tem um ganho de resolução em relação ao produto C-SAR, devido à precisão fornecida pela banda X e à inexistência de sobreposições entre sub-faixas na formação da faixa de imageamento. No entanto, este ganho é compensado pelas brechas nos padrões de mapeamento, e conseqüente perda de

informação, acarretadas pela sua estreita largura de faixa (FARR; KOBRICK, 2000; RABUS et al., 2003).

O MDE interferométrico banda X é disponibilizado pelo DLR e seus distribuidores comerciais. O MDE interferométrico banda C, com 1 arco-segundo de resolução (aproximadamente 30m ou 0.000277°) é limitado ao território dos Estados Unidos (SRTM1); foi criada uma generalização deste MDE para 3 arco-segundos (aproximadamente 90m ou 0,000833°) que está publicamente disponível para o resto do globo (SRTM3). O MDE é fornecido em coordenadas geográficas referidas ao datum horizontal WGS84; as altitudes são expressas em metros e referenciadas ao nível médio do mar como definido pelo geóide WGS84 Earth Gravitational Model (EGM96). Estes dados estão separados continente a continente e organizados em células de 1°x1°; podem ser acessados livremente na página oficial do projeto (http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/) hospedada no sítio web do JPL.

A missão foi planejada para suprir mapeamento em escalas entre 1:100.000 e 1:250.000. O conjunto de especificações para os dados finais foi estabelecido pela National Geoespatial-Intelligence Agency (NGA). As fontes interferométricas de erros e os erros aleatórios foram estimados, calibrados e compensados com propósito de atingir as especificações da NGA. As especificações de exatidão vertical foram ±16m para altitude absoluta e ±6m para altitude relativa. O erro absoluto representa aquele calculado em relação ao conjunto total dos dados e o relativo se refere ao erro em uma escala local de 200 km. Os Resultados da avaliação dos dados SRTM atingiram o 90% da probabilidade da especificação; para América do Sul foram: (i) erro absoluto de localização de 9.0m; (ii) erro absoluto de altitude de 6.2m; e (iii) erro relativo de altitude de 5.5m. Às altitudes do SRTM representam as superfícies refletivas (por exemplo, o dossel das árvores, telhado das edificações ou solo nu); estas não foram reduzidas à superfície do terreno e os pontos de validação das altitudes tiveram distribuição global (escala pequena) concentrada em regiões montanhosas e, por esta razão, para aplicações destes dados devem ser feitas avaliações locais de exatidão (RABUS et al., 2003; RODRÍGUEZ et al., 2006; SLATER et al., 2006).

Face à possibilidade do uso do modelo SRTM3 (produto público em resolução de 90m) no mapeamento sistemático do Brasil, Oliveira (2005) avaliou estes dados na região da Serra dos Carajás, um terreno montanhoso localizado na borda mais oriental da região Amazônica Brasileira. A avaliação foi feita com base em um conjunto bem distribuído de Global Control Position Points (GCPs) e critérios da norma cartográfica da Comissão Nacional de Cartografia (CONCAR). O Padrão de Exatidão cartográfica (PEC) estabelece as classes A, B e C, em ordem descendente quanto a sua exatidão planimétrica, altimétrica, e erro padrão associado, medidos na escala da carta. A investigação mostrou que a precisão do SRTM3 atendeu às exigências para cartas classe A na escala 1:100.000 como requerido pelo PEC.

Visando o desenvolvimento metodológico para a utilização do SRTM3 no Brasil, Valeriano (2004) realizou testes em alguns locais do território através de comparações diretas entre os modelos SRTM3 e o MDE da cartografia do Instituto Geográfico e Cartográfico (IGC), bem como entre os resultados de algoritmos desenvolvidos para extração de variáveis geomorfométricas. O pré-processamento consistiu na modificação do SRTM3 original para um novo MDE com características desejáveis, entre elas: (i) resolução melhorada de 90m para 30m; (ii) remoção de falhas; (iii) redução de artefatos; e (iv) distribuição da aleatoriedade. Os resultados foram avaliados de maneira expedita, através de processos de visualização, análises gráficas e estatísticas. Entre os principais resultados, ressalta-se que os dados apresentaram fortes restrições à utilização destes na sua forma original, porém o pré-processamento desenvolvido permitiu sua utilização em escalas relativamente detalhadas, conforme o relevo local e a finalidade da análise. A mudança da resolução por krigagem (técnica de interpolação por geoestatística) reduziu efeitos indesejáveis de objetos sobre o terreno e de ocasionais artefatos, favorecendo a geração de curvas de nível, a extração digital de variáveis topográficas e a definição de feições de drenagem relativamente detalhadas. Estas avaliações levaram a um intenso trabalho de modelagem de dados topográficos SRTM que resultou em um banco de dados nacional de variáveis geomorfométricas locais, denominado TOPODATA (VALERIANO, 2005).

Este trabalho integrou o potencial de tratamento de dados topográficos por SIG, relacionado à modelagem do meio físico e análise da erosão, a uma série de desenvolvimentos metodológicos, tais como: (i) detecção de canais da drenagem e divisores d’água (VALERIANO; MORAES, 2001); (ii) desenvolvimento do modelo ADD (Azimute, Divisores e Drenagem) e avaliação de interpoladores na formação de MDEs (VALERIANO, 2002); (iii) remoção de artefatos em imagens de radar e análises agro-climatológicas (VALERIANO; PICINI, 2003); (iv) desenvolvimento de algoritmos e procedimentos para o cálculo de variáveis geomorfométricas locais (VALERIANO, 2003a; VALERIANO, 2003b; VALERIANO; CARVALHO, 2003); e (v) aprimoramento das formas de codificação (cores de paleta, legenda) dos diferentes dados derivados, em adaptação às características da visão humana para promover a percepção visual das informações topográficas (VALERIANO, 2007), entre outros. Os produtos do TOPODATA, junto com especificações técnicas e orientações aos usuários (VALERIANO, 2008; VALERIANO; ROSSETTI, 2008), estão disponíveis no sitio http://www.dpi.inpe.br/topodata/index.php para acesso livre. O conjunto de dados inclui planos de informação numéricos e qualitativos das variáveis: altitude (Z), declividade (S), orientação de vertentes (O), curvatura vertical (V) e horizontal (H), bem como insumos para o delineamento da estrutura de drenagem (modelo ADD) e formas do terreno (FT). Estudos recentes em mapeamento da vegetação (BISPO, 2007), análises da drenagem (VALERIANO, et al., 2006); interpretação e modelagem geológica (ROSSETTI; VALERIANO, 2007) já incorporaram com sucesso estes dados.