Dada a importância que assumem neste trabalho os procedimentos de mapeamento em ambiente SIG, assim como as diversas etapas de processamento dos dados, específicas a cada parâmetro mapeado, convlm que sejam explicitadas neste tópico algumas das operações efetuadas ao longo da pesquisa. As operações já tratadas em itens subsequentes serão apenas referidas visando situá-las no desenvolvimento dos produtos cartográficos gerados.
Primeiramente cabe ressaltar que a escolha do software apropriado para as operações requeridas pautou-se na funcionalidade do mesmo, atestada por inúmeros trabalhos desenvolvidos com o uso das ferramentas de geoprocessamento consultados durante a pesquisa. Assim, optou-se pela utilização do software ArcGIS 10.1, bem como extensões adicionais deste programa, algumas das quais obtidas gratuitamente por download via rede.
Conforme já tratado anteriormente, a base para o mapeamento dos atributos morfológicos e espacialização dos dados físicos obtidos experimentalmente constituiu-se em um Modelo Digital do Terreno, obtido a partir dos dados do levantamento topográfico de detalhe descrito em 5.2. Assim, como primeiro produto cartográfico, foi gerada a Carta Planialtimltrica da Alta Bacia do Córrego Tucum, apresentada no capítulo 6 deste volume. A citada carta teve como base o modelo digital, cujo processamento foi já detalhado.
Cumprindo com parte dos objetivos gerais deste trabalho, foram mapeados atributos morfomltricos cuja contribuição no desencadeamento dos processos erosivos pode ser considerada fundamental. Dessa forma, objetivando a geração da Carta Clinográfica e da Carta de Fluxo Acumulado, adotaram-se uma slrie de procedimentos para o refinamento do modelo digital, baseando-se na necessidade de obtenção de um modelo hidrologicamente adequado às análises deste estudo.
De igual modo foram elaborados outros documentos cartográficos a fim de servirem à modelagem objetivada, tais como a Carta de Cobertura e Uso da Terra e os mapas contendo a espacialização dos dados experimentais.
Por fim, resta mencionar que, cumprindo com o proposto para a presente tese de doutorado, l apresentado um Mapa Síntese, a partir de operações de modelagem integrando-se a totalidade dos dados mapeados.
Os procedimentos para geração de cada um dos documentos citados encontram-se adiante pormenorizados. Os mapas são apresentados integralmente no Capítulo 6, em conjunto com a redação das análises e dos resultados obtidos.
5.11.1 - Aspectos Hidrológicos
Como etapa preliminar das operações procedentes, foi feita a digitalização da rede de drenagem principal, tomando-se por base pontos mensurados em campo durante a etapa de levantamento topográfico, assim como por meio da interpretação de imagem orbital contida na interface on-line do programa ArcGIS 10.1 (Map Service – World Imagery). Embora apresentando-se georreferenciada e com boa resolução espacial, a imagem em questão foi obtida no ano de 2009, o que exigiu a devida precaução durante o processo de interpretação. Por essa razão, os dados de campo foram adotados como de maior relevância, sendo a imagem, portanto, um recurso auxiliar à digitalização do traçado dos rios.
Em seguida, foram realizadas operações hidrológicas específicas visando a identificação dos traçados de drenagem temporários, ou seja, canais de escoamento da água de precipitação. A ferramenta utilizada foi o Hidrology, da Toolbox Spatial Analyst cujos algoritmos permitem a extração da rede de drenagem em diferentes níveis hierárquicos, definidos em função da necessidade da análise. Levando-se em consideração que a rede de drenagem na área de estudo compõe-se apenas de canais de primeira e segunda ordens (conforme o esquema proposto por STRAHLER, 1952), optou-se pela definição de um cálculo de maior amplitude visando com isso identificar os canais temporários. A operação l denominada neste estudo como enriquecimento da rede de drenagem.
A sequência de operações necessárias para definição e extração da rede de drenagem enriquecida encontra-se pormenorizada no tutorial on-line oferecido pela ESRI (2013), assim como em outras páginas da rede especializadas na publicação de guias para operadores do programa ArcGIS.
A partir do modelo digital em formato raster, obtido com os dados topográficos, realiza- se primeiramente o preparo do mesmo com a ferramenta Fill, que destina-se a corrigir erros na forma de “vazios”, fazendo o seu preenchimento. Em seguida, submete-se o arquivo gerado à operação Flow Direction, que gerará um modelo contendo as direções dos fluxos de escoamento. Este modelo, por sua vez, servirá à concepção de um arquivo contendo os traçados da rede de drenagem a partir do comando Flow Accumulation. O fluxo acumulado, atributo gerado nessa etapa, representa o resultado de um cálculo algorítmico que considera as direções do fluxo em cada cllula adjacente, bem como sua informação clinográfica, definindo, portanto, todos os possíveis canais de concentração do fluxo do escoamento.
A próxima etapa do processo consiste na realização de uma operação matemática, na qual atravls da formulação de uma expressão alglbrica, são desenhadas as feições
correspondentes aos canais de drenagem. Para tanto, faz-se uso do comando Raster Calculator, tamblm contido na Toolbox Spatial Analyst. A instrução para composição da álgebra utilizada encontra-se explicitada em tutorial já referido. Nessa expressão insere-se um fator de limiar, segundo o qual serão desenhados maior ou menor número de canais, ou seja, ramificações de níveis hierárquicos em ordem crescente ou decrescente.
Por fim, tendo gerada a rede de drenagem mais adequada aos objetivos da pesquisa (dependendo do nível de complexidade exigido), realiza-se a conversão das feições para o formato shapefile, que será adequado à utilização para operações posteriores de modelagem hidrológica. O comando utilizado para tanto l o Stream to Feature.
Dadas as características morfológicas existentes na área de estudo, marcadas fortemente por feições tecnogênicas, cujo comportamento hidrológico muitas vezes se dá em desalinho com as tendências gerais do relevo, foi necessário subdividir a área em bacias hidrográficas distintas. Por essa razão utilizou-se a ferramenta Extract by Mask, para a subdivisão do modelo digital circunscrita à polígonos traçados previamente sobre os divisores de água, os quais foram identificados tanto por meio da imagem de satllite, como pelos dados de observações em campo. As operações relatadas deram-se sobre o modelo digital de cada sub-bacia individualmente, sendo a rede de drenagem, contudo, integrada em um único shapefile para a área em sua totalidade.
A Figura 26 apresenta o organograma das operações para enriquecimento da rede de drenagem.
Fig. 26 - Organograma das operações para enriquecimento da rede de drenagem
Fonte: Elaborado pelo autor.
Convlm assinalar que as operações aqui relatadas foram restritas à porção não urbanizada da bacia, o que se justifica pelo fato de que o escoamento nessa área encontra-se disciplinado por equipamentos de microdrenagem e não há (exceto em poucos setores e de pouca expressividade) contribuição do escoamento urbano para dentro da área não urbanizada,
allm daquele que se dá nos pontos de deflúvio das galerias pluviais, cujos emissários estão posicionados em locais específicos no leito dos córregos.
5.11.2 – Modelo Digital Hidrologicamente Consistente
Uma das premissas para a representação adequada dos atributos morfomltricos do relevo consiste na obtenção de um modelo digital que incorpore a informação hidrológica em sua matriz. Em modelagem ambiental essa prerrogativa se justifica pelo fato de que a rede de drenagem consiste o elemento do sistema físico pelo qual se dá a maior parte do transporte de matlria e energia, compondo agente de importância capital nos processos morfogenlticos (CHRISTOFOLETTI, 1980).
Em ambiente SIG, no contexto do programa ArcGIS, muitos autores consideram o interpolador Topo to Raster como aquele que melhor se enquadra na perspectiva mencionada, por permitir a incorporação das feições de drenagem no processo de interpolação (GUEDES et al, 2011; RIBEIRO, 2015; VALERIANO, 2004). Segundo o tutorial oferecido pela empresa ESRI (2013), o funcionamento do comando citado se baseia no programa ANUDEM, cuja operação se dá pela tlcnica iterativa de interpolação por diferenças finitas.
Neste trabalho adotou-se, com base nas preposições contidas na bibliografia (CHAVES et al, 2002), a elaboração de um Modelo Digital de Elevação Hidrologicamente Consistente (MDEHC), utilizando-se para tanto as informações topográficas geradas conforme descrito no tópico 5.2. Seguindo os procedimentos contidos no tutorial on-line da ESRI (2013), foram interpoladas as seguintes feições: 1) curvas de nível, com equidistância de 1 metro; 2) rede de drenagem (incluindo-se os canais de escoamento gerados conforme descrito no tópico anterior); 3) limite da área, como polígono delimitador da interpolação.
Aspecto de suma importância relativo à precisão dos dados l a definição da resolução espacial do modelo, atributo este que deve ser definido como um dos parâmetros de interpolação. A resolução, em conjunto com os demais parâmetros, irá responder por uma maior ou menor suavização da superfície, o que pode acarretar a generalização de certas feições. Após a realização de diversos testes, concluiu-se que o resultado de melhor acurácia foi aquele obtido com cllulas de 0,5 m (cada pixel equivale à uma área de 0,25 m²).
5.11.3 – Carta Clinográfica e Carta de Fluxo Acumulado
Após a geração do modelo digital hidrologicamente consistente, foi possível obter, a partir da ferramenta Slope (Toolbox Spatial Analyst) o arquivo raster referente à informação clinográfica. Para representação deste atributo optou-se pela definição de intervalos de classe que representassem com mais exatidão as rupturas de declive da área. Conforme aponta De Biasi (1992, p. 47), a definição de classes de declividade “poderá ter um caráter eminentemente particular, ou seja, o autor escolhe as classes que ele necessita para seu trabalho”, embora seja preferível ter como referência a legislação vigente.
Assim, com o intuito de obter um resultado que refletisse as complexidades fisionômicas do relevo da área e, objetivando a apresentação de um produto cartográfico coerente com os aspectos tlcnicos e normativos comumente adotados em trabalhos acadêmicos, foram definidos os seguintes intervalos de classe:
a) Abaixo de 5 % - De acordo com De Biasi (1992), este limite de classe l empregado para fins de planejamento, pois define o limite urbano - industrial;
b) 5 % a 10 % - Ainda conforme o autor, o gradiente de 12 % constitui o limite máximo para mecanização agrícola. No caso do presente estudo, obteve-se do modelo digital o valor de 10%, de acordo com a quebra natural do declive;
c) 10,1 % a 25 % - O gradiente de 25 % foi adotado como valor mldio entre as quebras de declive identificadas no modelo (correspondendo a 20 %) e o definido pela Lei Lehmann (30 %), que postula sobre o limite máximo para urbanização sem restrições;
d) 25,1 % a 40 % - A ocorrência de rupturas relacionadas à ocorrência de taludes erosivos se impõe como fator delimitador, que encontra no limiar de 40 % sua maior expressividade;
e) Acima de 40 % - As quebras de declive com gradiente superior à 40 % correspondem na área de estudo à setores críticos do ponto de vista da dinâmica erosiva.
A proposição adotada l, portanto, a que melhor se enquadra nos objetivos deste estudo, haja vista a ocorrência de morfologias que compartimentam setores do relevo, a exemplo de topos tabuliformes, e rupturas de acentuado gradiente (associadas às feições erosivas), cuja representação clinográfica considera-se imprescindível. Somam-se a isso as vertentes urbanizadas e aquelas de possível avanço da urbanização, cuja análise no âmbito do planejamento serve-se da declividade como parâmetro norteador.
Ainda no âmbito da morfometria do relevo foi realizada operação visando a elaboração de um mapa que pudesse representar o percurso preferencial do fluxo do escoamento superficial, delimitando-se os setores de dispersão de águas e os de maior concentração. A Carta de Fluxo Acumulado, ou Acumulação de Fluxo (Flow Accumulation), constitui um documento de grande valia às análises propostas neste estudo.
O procedimento adotado para a obtenção da Carta de Fluxo Acumulado encontra-se apresentado por Fontes (2009), tendo sido utilizado por diversos outros autores (BARBOSA, 2010; MATHIAS, 2011; MORAES et al, 2014). A tlcnica baseia-se nas proposições de Schauble (1999 apud FONTES, 2009) e consiste no cálculo numlrico das cllulas de um modelo digital, voltado à representação de valores de concentração por área de contribuição, ou seja, são computadas as relações geomltricas estre as cllulas do modelo a fim de obter-se a quantidade em área (m²), que drena para cada cllula individualmente.
A referida tlcnica se destaca por apropriar-se do algoritmo de fluxo múltiplo, desenvolvido por Quinn (1991), a partir do qual o cálculo se dá em múltiplas direções. O algoritmo l definido com base no índice de acumulação do fluxo, em cujo cálculo participam os valores de declividade, e que pondera a orientação do fluxo pela distribuição entre todos os sentidos de vertente, para atl oito direções possíveis.
Como resultado, obtlm-se um mapa que pode ser classificado de acordo com classes representativas visando a identificação das tendências de concentração do escoamento. Tendo- se como prerrogativa que as rotas de fluxo do escoamento superficial funcionam, no contexto de áreas erodidas, como possíveis vetores de avanço das feições erosivas, o mapa em questão se constitui instrumento importante à previsão da evolução dos processos ocorrentes na área de estudo.
Para geração da Carta de Fluxo Acumulado foram adotadas as orientações apresentadas por Fontes (2004), que pressupõem a utilização do programa ArcView 3.2. As operações para obtenção do mapa se dão a partir da ferramenta Hydrotools, que deve ser instalada como complemento do programa. A extensão Spatial Analyst tamblm deve estar ativada para que o programa possa fazer a leitura do grid de um arquivo raster.
Tendo adicionado o arquivo correspondente ao modelo digital hidrologicamente consistente (gerado conforme descrito no tópico anterior), procedeu-se à preparação da superfície, na qual l gerado um grid das direções de fluxo (Flow Direction); em seguida realizou-se operação para correção de possíveis erros do modelo (DEM Correction) e, por fim, dentro da funcionalidade Hidrology, realizou-se a operação Flow Accumulation. Nessa etapa define-se o algoritmo utilizado que, no caso deste estudo, foi o MD – Multiple Flow.
O grid gerado corresponde ao mapa representando as tendências de acumulação/dispersão do escoamento. Assim, faz-se a exportação do mesmo para que possa ser inserido na base de dados do ArcGIS 10.1, cuja interface permite a reclassificação da imagem em intervalos definidos de acordo com a necessidade do trabalho. Neste estudo foram definidos intervalos em escala geomltrica (5, 10, 50, 100, 500, 1000), por permitirem a visualização mais adequada dos dados. Somente o último intervalo de classe l que engloba os valores maiores gerados pelo programa (intervalo de 1000 a 1761045), no qual estão contidos apenas os valores das cllulas correspondentes ao traçado da rede de drenagem.
A Figura 27 apresenta o organograma para geração dos referidos documentos, sumarizando os procedimentos acima explicitados.
Fig. 27 - Organograma das operações para geração dos mapas morfomltricos
Fonte: Elaborado pelo autor.
5.11.4 – Carta de Cobertura e Uso da Terra
Em conformidade com os objetivos do trabalho, foi tamblm realizada a confecção de uma Carta de Cobertura Vegetacional e Uso da Terra, utilizando-se a base de dados World Imagery do programa ArcGIS 10.1, que se constitui um mosaico de imagens orbitais em alta resolução. A ferramenta l utilizada on-line, à semelhança de outros recursos mais populares, tais como Google Earth, diferindo deste por realizar a plotagem em ambiente SIG. As imagens da área de estudo foram obtidas no ano de 2011. A fim de atualizar os dados, utilizou-se uma fotografia alrea ortorretificada do ano de 2013, cedida gratuitamente pela empresa Engeosat (Engenharia Geomática LTDA).
As classes de cobertura vegetacional e uso da terra foram digitalizadas a partir da ferramenta de vetorização do programa, criando-se os polígonos relativos à 13 classes. Estas foram definidas em função das características observadas em campo, sobretudo àquelas relacionadas à densidade da vegetação. Portanto, foram criadas subdivisões para as categorias convencionais de cobertura vegetacional, em virtude de diferenças de densidade observáveis pela imagem. A escala de cor foi adaptada da metodologia indicada no Manual Tlcnico de Uso da Terra (IBGE, 2006).
5.11.5 – Espacialização dos dados experimentais
A espacialização de dados pontuais na forma de uma superfície contínua deve ser orientada por parâmetros geoestatísticos, sendo efetuada de acordo com mltodos específicos de interpolação. Tais mltodos obedecem à lógica de autocorrelação espacial, no qual os valores estimados se encontram em relação direta com os valores conhecidos, tendo como base a distância entre os pontos ou a tendência observável nos dados (LANDIM, 2003).
No tocante aos dados físicos mensurados em campo, buscou-se primeiramente avaliar aspectos tais como a distribuição dos pontos amostrais e sua relação com as feições geomorfológicas. A malha de pontos amostrais, apresentada em 5.5 (Figura 12), caracteriza-se por conter os seguintes atributos:
a) Maior densidade de pontos em áreas de morfologia complexa (adjacentes à feições erosivas);
b) Densidade de pontos mediana em vertentes antropizadas, contendo terraceamentos; c) Baixa densidade em vertentes de pouca complexidade fisionômica;
d) Densidade pontual dentro do setor urbanizado da bacia.
Assim, têm-se uma condição que exigia uma escolha criteriosa do mltodo de interpolação. Para tanto, buscou-se uma ferramenta que permitisse a análise do comportamento das variáveis quantificadas e seu relacionamento espacial, a fim de que a interpolação dos dados pudesse ser orientada por tais parâmetros. Tendo por base os resultados apresentados por Flores (2000), optou-se pela realização de uma análise variográfica atravls do programa VARIOWIN, conforme as instruções apresentadas por Landim, Monteiro e Corsi (2002).
O procedimento apontado baseia-se na análise exploratória do semivariograma experimental e na modelagem variográfica. De acordo com Landim (2003), o semivariograma mostra “a medida do grau de dependência espacial entre amostras ao longo de um suporte
específico”, atravls das seguintes informações: a) tamanho da área de influência de uma amostra; b) anisotropia, ou seja, diferenças variográficas em diferentes orientações de linha de amostragem e c) continuidade, tamblm referido como efeito pepita, que ocorre em função de erros ou por uma distribuição amostral insuficiente. A Tabela 1 apresenta os parâmetros gerados pelo programa VARIOWIN para cada uma das variáveis quantificadas:
Tabela 1 - Parâmetros geoestatísticos obtidos das amostras
VA RIÁ VE L MO DE LO RA NGE SILL AN ISOTROPIA LA G ( TA MAN H O) LA G (TOLER ÂN C IA) LA G ( NÚ MER O ) Infiltração
Inverno Potência (1) Slope 0,00511 1 70 20 5
Infiltração
Verão Exponencial 514,68 0,59934 1 120 30 8
Resistência
Sub Inv Gaussiano 345,79 11,1942 1 70 20 7
Resistência
Sub Ver Exponencial 626,49 4,7 1 70 20 7
Resistência
Sup Inv Esflrico 197,69 22 1 70 20 7
Resistência
Sup Ver Esflrico 225,90 1,5 1 70 20 7
Granulometria
Argila/Silte Efeito Pepita Puro
Granulometria
Areia Total Gaussiano 282,59 168,3 1 70 20 8
(Significado das abreviaturas: “Sub” – Subsuperficial; “Sup” – Superficial; “Inv” – Inverno; “Ver” – Verão).
Fonte: Elaborado pelo autor.
De posse dos parâmetros ajustados procedeu-se à interpolação, no contexto do programa ArcGIS 10.1. A variável Infiltração Inverno, foi interpolada atravls do mltodo da Ponderação pelo Inverso da Distância – IDW (Inverse Distance Weighting), enquanto que, para as demais variáveis utilizou-se o mltodo da Krigagem Ordinária.
Embora concebidos em consonância com os parâmetros variográficos modelados, os mapas gerados por krigagem apresentavam como característica o fato de que os dados especializados incluíam os setores de várzea e/ou leitos fluviais. Isso ocorre porque tal mltodo não permite a inclusão de uma “barreira” e, assim, são atribuídos valores aos locais de
ocorrência dessas feições que não são representativos do real comportamento das variáveis. Como exemplo cita-se a variável infiltração, que no caso dos leitos fluviais, ou mesmo no leito maior (nas margens de córregos que fluem em vales de fundo chato, como no caso do interior de voçorocas), tende a ser negativa, uma vez que sob as condições vigentes em tais setores predomina a exfiltração.
Com o intuito de obter um resultado mais coerente com as feições observadas, buscou- se um mltodo alternativo que permitisse a individualização dos leitos fluviais e margens dos córregos, sem que pudesse ocorrer a contaminação amostral e consequente influência sobre a espacialização. Assim, atentando-se para as especificidades das ferramentas disponíveis no programa ArcGIS, foi feita a interpolação dos dados utilizando-se o mltodo Spline Com Barreiras (Spline With Barriers), que difere da krigagem e do IDW pela construção de uma superfície de mínima curvatura, com ou sem a inclusão de barreiras. A Figura 28 apresenta diagramas esquemáticos de como se dá a geração da superfície de acordo com as características do mltodo.
Fig. 28 - Interpolação com barreiras (A) e superfície Spline (B)
Fonte: Geolab (2015).
De acordo com este mltodo não há a influência significativa das distâncias dos pontos