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XXIII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE RECURSOS HIDRÍCOS
O USO DE GEOTECNOLOGIAS LIVRES PARA A CARACTERIZAÇÃO FISIOGRÁFICA COM DADOS SRTM
Thais Moreira dos Santos 1 ; Maurília de Almeida Bastos 2; Fernanda Simoni Schuch 3
RESUMO – As geotecnologias de softwares livres permitem a análise e o processamento de imagens, para estudos de solo, crescimento urbano, na área agrícola e ambiental. Quando se trata de bacias hidrográficas os softwares permitem sua delimitação, identificação dos cursos de seus rios principais e afluentes, e visualizar as direções de drenagem. Este trabalho teve como intuito gerar, a partir de dados de radar gratuitos e, com o uso de software de geoprocessamento livre, delimitar uma bacia hidrográfica (área de estudos) e extrair sua rede de drenagem. A partir daí são obtidas características fisiográficas da bacia como: área, perímetro, comprimento do rio principal e afluentes, ente outros.
Esta análise fisiográfica será de suma importância para, num próximo estudo, embasar análises mais aprofundadas de uso e ocupação do solo e das consequências da urbanização da mesma. Ao final, com o uso do software QGIS e imagens SRTM obteve-se diferentes níveis de detalhamento de cursos de água e limites de sub-bacias para uma mesma área de estudo e optou-se pela utilização dos dados que se mostraram mais favoráveis para o avanço da pesquisa.
ABSTRACT– The geotechnologies of free software allow the analysis and the processing of images, for soil studies, urban growth, in the agricultural and environmental area. When it comes to river basins, the software allows its delimitation, identification of the courses of its main rivers and tributaries, and visualization of the drainage directions. This work aimed to generate, from free radar data and, with the use of free geoprocessing software, to delimit a hydrographic basin (study area) and extract its drainage network. From there are obtained physiographic characteristics of the basin as: area, perimeter, length of the main river and tributaries, among others. This physiographic analysis will be of paramount importance in a future study to support more in depth analyzes of land use and occupation and the consequences of its urbanization. At the end, using the QGIS software and SRTM images, different levels of watercourse detailing and sub-basin limits were obtained for the same study area and the data were chosen that were more favorable for the research.
Palavras-Chave – Sensoriamento Remoto, Bacia Hidrográfica, Software Livre
1 INTRODUÇÃO
O uso do sensoriamento remoto está cada vez mais frequente no mundo hoje, é uma tecnologia que permite coleta de dados sem que seja necessário um contato direto com o meio que está sendo estudado, por meio de imagens de satélites ou até drones. Consegue-se fazer um tratamento e processamento nessas imagens com o uso de softwares, assim podendo observar mudanças no meio,
1) Afiliação: Discente do Instituto federal de Santa Catarina – Campus Florianópolis, Av. Mauro Ramos 950 CEP 88020-300, fone (48) 3221 6060, e-mail thaaaism05@gmail.com
2 e 3) Afiliação: Docente do Instituto federal de Santa Catarina – Campus Florianópolis, Av. Mauro Ramos 950 CEP 88020-300, fone (48) 3221 6060, e-mail fernandass@ifsc.edu.br / maurilia@ifsc.edu.br
sendo elas climáticas, ambientais e até mesmo avaliar o crescimento urbano e seus danos. (Gomes, 2016)
Sobre as mudanças climáticas, para estuda-las, analisam-se entre muitos dados referentes ao ciclo hidrológico e, este é normalmente estudado com mais interesse na sua fase terrestre, onde, o elemento fundamental de análise é a baca hidrográfica (TUCCI et al, 2015).
O estudo de bacias hidrográficas é de grande importância para a população pois com ele é possível analisar o comportamento de rios, suas cheias e os riscos de enchentes e inundações, embasando os projetos de engenharia que objetivam diminuir os estragos provocados por estes eventos e, que possam usar desses recursos naturais para benefício da população, podendo utilizar essa água, por exemplo, para abastecimento local, agricultura, pecuária, em hidrelétricas e uso industrial.
Como o crescente aumento da urbanização o meio ambiente sofre mudanças constantes, isso é visível com o desmatamento e alteração da vegetação, mas esse aumento afeta em grande proporção os rios e nascentes, e, em consequência, as bacias hidrográficas.
Esse estudo tem como intuito realizar uma caracterização fisiográfica, da Bacia Hidrográfica do Rio Capivaras (BHRC), localizado no norte da Ilha de Santa Catarina/SC. Esta área foi escolhida por estar localizada numa região de grandes alterações de uso e ocupação do solo nas últimas décadas, cuja caracterização fisiográfica auxiliará no entendimento das consequências da ocupação desta porção do território.
Figura 1: Localização da Bacia Hidrográfica Ribeirão das Capivaras
A área de estudos está localizada na Região da Grande Florianópolis onde o clima predominante
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vegetação litorânea, que se divide em manguezais e restingas. Por ser uma ilha e ter muitas praias, possui também muitas bacias hidrográficas, porém a maioria delas de pequena extensão, sendo assim considera-se bacias apenas 6 delas como principais. (IPUF, 2004)
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste item são abordados assuntos relativos à caracterização fisiográfica das bacias hidrográficas, o sensoriamento remoto aplicado aos recursos hídricos e Sistemas de Informação Geográficas (SIG’s).
2.1 Caracterização fisiográfica de bacia hidrográfica
Bacias hidrográficas são um conjunto de terras drenadas por um rio e seus afluentes, formada nas regiões mais altas do relevo por divisores de água, onde as águas das chuvas ou escoam superficialmente formando os riachos e rios, ou infiltram no solo para formação de nascentes e do lençol freático (Barrella, 2001)
Segundo Tucci et al. (2015), consideram-se dados fisiográficos de uma bacia todos aqueles que podem ser extraídos de mapas, fotografias aéreas e imagens de satélites sendo, basicamente, áreas, comprimentos, declividades e cobertura do solo, medidos diretamente ou expressos por índices.
Teodoro et al. (2007) apud Tonello (2005) elencou uma série de análises a serem realizadas numa bacia hidrográfica sejam elas geométricas, do relevo e da rede de drenagem. Dentre as geométricas estão a área, perímetro, fator de forma (F – fórmula 1), coeficiente de compacidade (Kc – fórmula 2), Índice de circularidade (IC – fórmula 3). Das características do relevo tem-se a declividade, a altitude e a amplitude altimétrica. E, dentre as características da rede de drenagem estão a ordem dos cursos d’água, a densidade de drenagem (Dd – fórmula 4) e índice de sinuosidade (Is – fórmula 5):
𝐹 = 𝐿
𝐴2 (1)
Onde: F- fator de forma; L – comprimento do eixo da bacia; A – área de drenagem.
𝐾𝑐 = 0,28 𝑥 𝑃
√𝐴 (2)
Onde: Kc – coeficiente de compacidade; P – perímetro; A- área de drenagem 𝐼𝑐 = 12,57 𝑥 𝐴
𝑃2 (3)
Onde: Ic – índice de circularidade; A – área de drenagem; P – perímetro.
𝐷𝑑 = 𝐿 𝐴⁄ (4)
Onde: Dd – densidade de drenagem; L – comprimento total dos rios ou canais; A – área de drenagem.
𝐼𝑠 = 𝐿 𝐷⁄ 𝑣 (5)
Onde: Is – índice de sinuosidade; L- comprimento do canal principal; Dv – distância vetorial do canal principal.
Neste artigo são calculados os índices acima descritos para a BHRC e seus resultados são analisados nos itens: resultados e conclusões.
2.2 Sensoriamento Remoto aplicado à Recursos Hídricos
Souza (2019) diz que o sensoriamento remoto é a ciência e a arte de se obter informação sobre um objeto, área ou fenômeno através da análise de dados obtidos por um sensor que não está em contato direto com o alvo, objeto, área ou fenômeno em análise.
Aliado ao sensoriamento remoto está o geoprocessamento e este, pode ser descrito como um:
‘Conjunto de tecnologias voltadas a coleta e tratamento de informações espaciais para um objetivo específico. As atividades envolvendo o geoprocessamento são executadas por sistemas específicos mais comumente chamados de Sistemas de Informação Geográfica (SIG) (INPE, 2019).’
O estudo das interações da declividade, solos e uso da terra na bacia hidrográfica pode ser feito com o uso do geoprocessamento, por possibilitar o armazenamento e gerenciamento desses dados, com rapidez e precisão, além de permitir a identificação de áreas propícias à degradação ambiental e a avaliação das estratégias de manejo antes que elas sejam adotadas (CÂMARA E DAVIS, 2002). Os resultados dessas caracterizações, apesar de quantitativos, permitem avaliar a dimensão qualitativa das alterações ambientais presentes nas bacias (ALVES E CASTRO, 2003).
Dentre os muitos sensores disponíveis para captação de dados da Terra tem-se o SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), que é uma missão iniciada pela NASA, no ano de 2000, com o propósito de auxiliar na produção de banco de dados digitais (EMBRAPA, 2013). Os dados de radar produzidos por este sensor serão utilizados nesta pesquisa para delimitar a área de estudos e extrair a rede de drenagem.
2.3 Sistema de Informação Geográfica (SIG) livre - QGIS
Um sistema de informação geográfica (SIG), é definido como “um conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar, recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo real”
(Burrough, 1987).
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O SIG é um sistema que processa dados gráficos e não gráficos (alfanuméricos) com ênfase a análises espaciais e modelagens de superfícies. É o destinado ao processamento de dados referenciados geograficamente (ou georreferenciados), desde a sua coleta até a geração de saídas na forma de mapas convencionais, relatórios, arquivos digitais, etc; devendo prever recursos para sua estocagem, gerenciamento, manipulação e análise (INPE, 2019).
Diversas são as aplicações do SIG na engenharia e na sociedade, ele permite o mapeamento de áreas de risco, delimitação de áreas para construções e traçados de estradas, delimitação também de áreas de drenagem, possibilitando a identificação de pontos para instalações de estações fluviométricas e pluviométricas.
Nesta pesquisa se utilizou o QGIS por ser um software livre que permite a visualização, edição e análise de dados, obtidos através de satélites ou drones. O software possibilita que seja feita composição RGB de mapas, edição de camadas e classificação da imagem, para posteriores estudos em diversas áreas, como solo, vegetação, hidrografia e crescimento urbano.
3 MATERIAIS E MÉTODO
Para o desenvolvimento da pesquisa foi obtida a imagem de radar SRTM no site da EMBRAPA, com data de atualização de 18 de Abril de 2006. Os dados obtidos dessa imagem foram os segmentos de cursos de água, a direção de drenagem, o contorno das bacias, foram usados para delimitar exatamente a bacia estudada e identificar a direção dos seus cursos de água.
No software QGIS foram utilizados plugins, já existentes no programa, para a delimitação corretas das bacias sendo eles: o plugin r.watershed, que possibilitou a geração de arquivos contendo apenas os contornos das bacias, e o plugin o r.to.vect, que transformou os arquivos de raster para vetores, permitindo que edições fossem feitas com mais facilidade.
Com a imagem SRTM no QGIS foram gerados 3 arquivos com diferentes números de pixel para a análise dos cursos de água, os números de pixels utilizados foram de 10, 25 e 50, e 4 arquivos para a análise da divisão de bacias, com números de pixels de 10, 25, 50 e 500.
Logo após a aquisição dos dados foram obtidos a área e o perímetro das bacias e o comprimento dos rios, com esses dados foram feitos cálculos para a caracterização da bacia.
4 RESULDADOS
Os resultados deste trabalho estão divididos entre as diferentes redes de drenagem, limites da bacia e dados fisiográficos.
4.1 Obtenção de redes de drenagem da BHRC
Cada teste feito gerou diferentes divisões de bacias e diferentes segmentos de cursos de água, quanto menor o número de pixels usado mais detalhes foram observados nas imagens geradas, ou seja, o melhor arquivo para observar os cursos de água foi aquele em que se usou 10 pixels. As imagens mostradas abaixo (Figura 2 a, b e c) referem-se aos arquivos gerados para cada diferente número de pixel e na área da bacia desejada, 10, 25 e 50 pixels respectivamente.
Figura 2: (a) 10 pixels (b) 25 pixels (c) 50 pixels
A Tabela 1 abaixo mostra os dados gerados para as diferentes quantidades de pixels e mostra quantitativamente as diferenças entre os dados.
TABELA 1 – dados das redes de drenagem geradas
10 pixels 25 pixels 50 pixels Área da drenagem (m²) 12661192,076 12657837,306 12655667,006 Comprimento do eixo da bacia (m) 6536,287 6532,444 6528,604
Perímetro (m) 23084,504 23123,077 23026,206
Número de rios ou cursos d’água 35 26 15
Comprimento total dos rios ou canais (m) 30910,791 23919,395 16995,183 Comprimento do Canal principal (m) 9076,172 8492,434 8352,709 Distância vetorial do canal principal (m) 5608,12 5608,12 5608,12
Tendo como base a área de 12.679.699,355m², área da bacia de 500 pixels, a variação em comparação com a bacia de 10 pixels é de 0,15%, com a bacia de 25 pixels de 0,17% e com a bacia de 50 pixels é de 0,20 %
4.2 Obtenção dos limites da BHRC
Variando-se o número de pixels que contribuem para a formação de uma bacia hidrográfica, fez com que fossem geradas mais ou menos divisões (sub-bacias) na BHRC. Quanto menos pixels
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contribuem para a formação de uma bacia, menor ela é, e, portanto, a área de estudos aparece mais segmentada.
Para fins de analisar as características fisiográficas da área de estudos foram feitos testes com 10, 25, 50 e 500 pixels (figura 3) e, optou-se por escolher o limite mais adequado aos estudos futuros, sendo, portanto, adotado o limite para o qual foram necessários 500 pixels onde a BHRC apresenta- se menos segmentada, restando apenas duas sub-bacias as quais foram posteriormente unidas.
Figura 3: divisão de bacias utilizando 10 pixels (a), 25 pixels (b), 50 pixels (c) e 500 pixels (d)
A BHRC obtida com 500 pixels possui uma área de 12.679.690,355m² e um perímetro de 22.770,628 m e estes dados são os utilizados para os cálculos dos índices descritos no subitem abaixo.
4.3 Cálculo das características fisiográficas
Para o cálculo das características fisiográficas, adotou-se o limite da BHRC de 500 pixels por entender que este modelo representa adequadamente o limite da área a ser estudada, sem delimitações de pequenas sub-bacias. Os valores apresentados na Tabela 2 variam, portanto, em função das diferentes redes de drenagem obtidas no processamento da imagem SRTM.
Como se optou em utilizar os dados da bacia hidrográfica gerada com 500 pixels e, portanto, os dados para ela obtidos não variam, os valores de F, Kc e Ic, também não variam em função das diferentes redes de drenagem obtidas. Apenas a Dd e o Is variaram, como pode ser observado na tabela que segue.
TABELA 2 – Variação das características fisiográficas da SBRH
N. de Pixel 10 25 50
Dd 2,44 1,89 1,34
Is 1,61 1,51 1,50
F 0,035
Kc 1,82 1,82 1,81
Ic 0,30
a b c d
Figura 4: Comparação entre os dados de caracterização fisiográfica obtidos para a BHRC
Os índices F, Kc e Ic estão relacionados ao formato da bacia e a propensão de cheias fortes e enchentes e, tanto pela tabela quanto pelo gráfico abaixo, pode-se perceber que os valores destes atributos não variaram significativamente quando se varia o número de pixels empregado para extrair a rede de drenagem (Figura 4).
Segundo Carvalho e Silva (2006) o Kc é sempre um valor > 1 (se fosse 1 a bacia seria um círculo perfeito). Quanto menor o Kc (mais próximo da unidade), mais circular é a bacia, menor o Tc e maior a tendência de haver picos de enchente. Para analisar os valores de F de uma bacia utilizam- se os dados ao lado: 1,00 – 0,75 – sujeito a enchentes; 0,75 – 0,50 – tendência mediana; < 0,50 – não sujeito a enchentes. Já os valores de Ic quanto mais próximos a 1 maior o risco de enchentes, pois a perímetro da bacia se assemelha a um quadrado. Em suma, os três índices obtidos para a BHRC nos dizem que esta área não está sujeita a enchentes. Pode-se observar que o padrão se mantém, pois, os dados utilizados para calcular estes índices não variam grandemente.
Para analisar os valores obtidos de Dd utilizou-se o descrito por CHRISTOFOLETI (1980), que relata ser este um dado importante porque representa o comportamento hidrográfico de determinada área e pode ser classificado da seguinte forma:
a) Bacias com drenagem pobre → Dd < 0,5 km/km2
b) Bacias com drenagem regular → 0,5 ≤ Dd < 1,5 km/km2 c) Bacias com drenagem boa → 1,5 ≤ Dd < 2,5 km/km2 d) Bacias com drenagem muito boa → 2,5 ≤ Dd < 3,5 km/km2 e) Bacias excepcionalmente bem drenadas → Dd ≥ 3,5 km/km2
Mesmo que os valores de Dd tenham variado entre 2,44; 1,89 e 1,34 em função das diferentes quantidades de pixels utilizados para a geração dos canais da rede de drenagem, percebe-se que ela se enquadra na categoria de bacia com drenagem boa.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
F Kc Ic Dd Is
Variação dos dados fisiográficos BHRC obtidos com SRTM
50 pixels 25 pixels 10 pixels
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Sobre o Is, Alves e Castro (2003) relatam que quando este valor é aproximadamente 1 os canais de drenagem tendem a ser retilíneos e, quando maior que 2, são sinuosos. Os valores intermediários, que é o caso da área de estudos, indicam formas transicionais, regulares e irregulares.
5 CONCLUSÕES
Analisando todos os arquivos gerados e sobrepondo-os para se obter uma melhor composição, constatou-se que, por ter um melhor detalhamento da forma dos canais, entende-se que, o arquivo gerado com 10 pixels é o mais adequado para os cursos de água, já para a divisão de bacias, levando em conta o curso de água escolhido, a que melhor envolveu os segmentos de cursos de água foi a gerada com 500 pixels.
No entanto, analisando os dados gerados com o SRTM, observou-se que embora tenham variado os valores obtidos de densidade de drenagem, há um padrão recorrente que o mantém na mesma classificação variando-se a escala de análise, mostrando que a área não está sujeita a grandes enchentes e tem uma boa drenagem.
O software livre QGIS também se mostrou uma boa ferramenta amigável para a manipulação dos dados SRTM, viabilizando a análise que se pretendia realizar com a utilização de plugins de fácil manuseio e aprendizagem, mesmo para quem não tem muita familiaridade com softwares SIG.
AGRADECIMENTO
Agradecemos o apoio financeiro do CNPq ao projeto de iniciação científica e tecnológica que possibilita a elaboração do projeto a que este artigo está vinculado.
REFERÊNCIAS
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CARVALHO, D. F. de; SILVA, L. D. B da; Capítulo 3 – Bacia hidrográfica. Disponível em:
http://www.ufrrj.br/institutos/it/deng/leonardo/downloads/APOSTILA/HIDRO-Cap3-BH.pdf, acessado em 01/05/2019.
CHRISTOFOLETI (1980), forma da bacia hidrográfica. Portal da educação. Disponível em:
https://www.portaleducacao.com.br/conteudo/artigos/biologia/forma-da-bacia-hidrografica/42222.
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INPE, Manuais: Tutorial de Geoprocessamento. Disponível em:
http://www.dpi.inpe.br/spring/portugues/tutorial/introducao_sen.html. Acessado em 30 de abril de 2019.
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SILVEIRA, A.L.L.da; Ciclo hidrológico e bacia hidrográfica. In: TUCCI, C.E.M. (Org.). Hidrologia:
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