GEORREFERENCIAMENTO DE FOTOGRAFIAS AÉREAS E
ANÁLISE DA VARIAÇÃO DA LINHA DE COSTA
R.S. ARAUJO, G.V. SILVA, D. FREITAS, A.H.F. KLEIN
rsangoi@univali.br
Universidade do Vale do Itajaí (UNIVALI), Centro de Ciências Tecnológicas da Terra e do Mar (CTTMar) – Laboratório de Oceanografia Geológica
Rua Uruguai 458, CEP 88302-202, Itajaí-SC Brasil
ÍNDICE
1 INTRODUÇÃO...2
2 METODOLOGIA ...5
2.1 Aquisição dos Dados e Padronização ...6
2.2 Retificação das Imagens e Construção dos Mosaicos...8
2.3 Quantificação do Erro Atribuído ao Processo de Retificação10 2.4 Escolha do Indicador e Extração da Linha de Costa ...11
2.5 Cálculo das Taxas de Variação da Linha de Costa ...12
2.6 Validação do Método ...13
3 CONSIDERAÇÕES GERAIS ...15
1 INTRODUÇÃO
A orla refere-se à estreita faixa de contato da terra com o mar, na qual a ação dos processos costeiros se faz sentir de forma mais acentuada à medida que efeitos erosivos ou deposicionais podem alterar sensivelmente a configuração da linha de costa. Nesta faixa a degradação ambiental por destruição da vegetação e construção de edificações se torna extremamente evidente, através da modificação da estética da paisagem e até mesmo intervenção no processo de transporte de sedimentos (eólico ou marinho), consequentemente provocando desequilíbrios no balanço sedimentar e na estabilidade da linha de costa (Muehe, 2001).
A determinação da posição da linha de costa e seu comportamento migratório ao longo do tempo são de extrema importância para inúmeras atividades, sejam elas de pesquisa, de engenharia e de planejamento (NRC, 1990). Tanto projetos de engenharia quanto planos de gerenciamento costeiro requerem informações a respeito da posição da linha de costa no presente, o seu comportamento no passado e a possibilidade de previsão para o futuro. Exemplos disso são os projetos de proteção da zona costeira (CERC, 2002), estudos sobre variação do nível médio do mar e determinação de zonas de risco (Leatherman, 2001, Freitas, 2008), estudos sobre morfodinâmica, erosão costeira e monitoramento ambiental (Araujo, 2008, Klein et
al., in press) e formulação e regulamentação de leis de gerenciamento costeiro (NRC,
1990). Através da análise da variação da posição da linha de costa pode-se ainda identificar os processos de reorientação da mesma no entorno de estruturas rígidas, determinar os padrões de modificação na largura e volume de praias, assim como quantificar taxas históricas de migração (Komar, 1998, Moore, 2000, Araujo, 2008, Klein et al., in press).
Uma definição generalizada de linha de costa refere-se ao ponto de encontro da interface física costeira e marinha (Dolan et al., 1980, Mörner, 1996), estando este em constante modificação espaço-temporal devido a quatro fatores principais: (1) alterações do nível do mar; (2) modificações verticais do nível dos continentes (tectonismo); (3) reformatação da morfologia costeira por processos erosivos e deposicionais; e (4) alterações nos processos de interação terra-mar, como a amplitude das marés, a velocidade e direção dos ventos e energia de ondas.
A definição da linha de costa pode ser realizada de diferentes maneiras, sendo que a escolha do método vai depender das informações que se pretende extrair, da disponibilidade e qualidade de dados, dos equipamentos utilizados, as escalas de trabalho escolhidas e os erros associados aos processos de aquisição e processamento das imagens (Boak e Turner, 2005).
Em função da dinâmica natural do sistema, a definição da posição desta no tempo e no espaço ainda é um desafio para os pesquisadores. Para fins práticos, o uso de indicadores da linha de costa torna-se mais viável, sendo geralmente uma feição usada como aproximação para uma linha de costa “verdadeira”. O ideal é aquela facilmente visualizada em campo, em fotografias ou imagens aéreas e em qualquer praia, e deve estar presente em todas as séries temporais caso o trabalho utilize comparações em escala temporal (Boak e Turner, 2005). Inúmeras feições já foram sugeridas como indicadores, como a linha da vegetação costeira, a base ou a crista da duna frontal, escarpas ou cristas no perfil praial, e a máxima linha d’água atingida (interface areia seca/molhada). Este último é o indicador mais freqüentemente utilizado, sobretudo porque este limite caracteriza-se por uma mudança nítida de tonalidade na areia da praia, facilmente identificável (Morton e Speed, 1998; Pajak e Leatherman, 2002).
Num estudo realizado sobre definição e detecção da linha de costa, Boak e Turner (2005) expõem uma variedade de fontes possíveis de se extrair indicadores da linha de costa, dentre os quais se destacam:
(a) Sensoriamento Remoto (Fotografias aéreas e imagens de satélite) – foi
no final da década de trinta que fotografias aéreas começaram a ser realmente utilizadas na definição mais exata da linha de costa, tornando-se a fonte de dados mais utilizada na demarcação de linhas de costa pretéritas (Leatherman, 1983). Contudo, distorções neste método são bastante comuns, como distorção radial causada pela lente do equipamento, relevo, inclinação da aeronave e a variação na escala da imagem por mudança na altitude do vôo. Da mesma forma, satélites imageadores são amplamente utilizados para aquisição de dados com ampla cobertura espacial e alta resolução (Moore, 2000).
A partir da década de 90, com o grande avanço da tecnologia no campo da informática, foram desenvolvidos pacotes de softwares que facilitaram e até mesmo
automatizaram a extração de dados referentes à posição da linha de costa (Sistemas de Informação Geográfica), e desta forma desenvolveu-se um meio de analisar e quantificar as diferentes fontes de erro decorrentes do processo de georreferenciamento (Thieler et al., 2005).
A escala e a resolução das fotografias aéreas é que determinam seu valor para uma aplicação particular. Uma foto em pequena escala (1:60.000) fornece uma visão sinóptica e tem baixa resolução espacial, recobrindo uma grande área em cada cena. É mais utilizada no estudo da geologia estrutural e em mapeamentos de vastas regiões. As fotografias aéreas em grande escala, por outro lado, fornecem uma visão detalhada com alta resolução espacial, sendo mais indicadas na análise da vegetação e morfologia (Curran, 1986).
(b) Levantamento Topográfico (Perfil Praial) - esta metodologia pode ser
empregada como fonte determinante da linha de costa, desde que haja um conjunto suficiente de dados de campo para se conferir uma boa precisão longitudinal. Como os resultados são obtidos pela interpolação de dados discretos de perfis transversais, longitudinalmente pode perder fidelidade com o aumento das distâncias entre os mesmos (Morton, 1991). Uma vantagem deste método é que geralmente os perfis aquisitados estão referenciados a uma cota conhecida (nível de referência), o que possibilita a obtenção de dados muito precisos no que se refere ao volume e largura observados.
A metodologia apresentada neste capítulo propõe a combinação da análise de fotografias aéreas e imagens de satélite de diferentes anos para caracterização do comportamento migratório da linha de costa em escala decenal, e sugere uma forma de validação dos resultados através da comparação com dados obtidos através monitoramento topográfico (perfis praiais). A região utilizada como caso de estudo foi a Enseada do Itapocorói, localizada no Estado de Santa Catarina, litoral sul do Brasil (Figura 1).
Figura 1: Localização geográfica da Enseada do Itapocorói, Estado de Santa Catarina, litoral sul do Brasil.
2 METODOLOGIA
A metodologia sugerida neste capítulo é desenvolvida em seis passos, envolvendo etapas de pré-processamento (aquisição dos dados, georreferenciamento e construção dos mosaicos das séries temporais), análise da variação da linha de costa (através de ferramenta computacional), e a validação dos resultados (através da comparação com dados de monitoramento topográfico) (Figura 2).
Figura 2: Etapas da metodologia empregada para análise da variação da linha de costa.
2.1 Aquisição dos Dados e Padronização
Apesar do recente advento de equipamentos com capacidade de aquisição de dados digitais (câmeras fotográficas digitais aerotransportadas), a maioria dos dados disponíveis encontra-se ainda em meio analógico, especialmente dos anos anteriores à década de 1990. Desta forma, a primeira etapa do processo consiste na conversão das fotografias aéreas analógicas para o meio digital, a fim de possibilitar o uso destas em um sistema de informação geográfica (SIG).
Para utilização de ortofotografias ou imagens de satélite, sugere-se manter uma representação do pixel1 de 1 metro aproximadamente, ou seja, cada pixel das
fotografias e imagens representando 1 metro no terreno. Para definir a representatividade do pixel no terreno multiplica-se 2,54 10−2
× (valor, em metros, de uma polegada) pela escala da imagem e, então divide-se o resultado pela resolução com que a imagem foi digitalizada, conforme a equação 1:
) ( ) ( 10 54 , 2 pixel do tividade Representa 2 dpi resolução Escala m × × = − (1) Se uma imagem de escala 1:25.000 é digitalizada com uma resolução de 600 dpi, tem-se: metros dpi m 058 , 1 ) ( 600 000 . 25 ) ( 10 54 , 2 pixel do tividade Representa 2 = × × = −
As imagens digitais, ao contrário dos produtos cartográficos analógicos, não têm escala definida, sendo necessário que se disponha de outras informações para avaliar a qualidade geométrica. Contudo, é possível definir a resolução, uma vez que essa é representada pela quantidade de pixels na horizontal e vertical. Nestes casos, para que cada pixel represente 1 metro no terreno, deve-se conhecer/medir a distância entre dois extremos da imagem em um dos eixos, e esta deve coincidir com o número de pixels no mesmo eixo.
O exemplo da Figura 3 é referente à aquisição de uma imagem do sensor orbital QuickBird do ano de 2005, disponibilizada online pelo software GoogleEarth™. Como a imagem pode ser adquirida com resolução de 4800 x 2700
pixels, a distância entre os extremos da imagem deve ser de 4800 metros na horizontal
e 2700 metros na vertical.
1
Pixel (aglutinação de Picture e Element) é o menor elemento num dispositivo de exibição
(como por exemplo, um monitor), ao qual é possível atribuir-se uma cor. É o menor ponto que forma uma imagem digital.
Figura 3: Definição da representatividade do pixel em uma imagem digital. Fonte: Imagem orbital do Sensor QuickBird do ano de 2005, disponibilizada online pelo software GoogleEarth™.
2.2 Retificação das Imagens e Construção dos Mosaicos
O método de georreferenciamento de uma imagem consiste em relacionar as coordenadas da imagem com as coordenadas reais do local. O processo pode ser realizado com a ajuda do Sistema de Informação Geográfica ArcGis®
9.2, através do
módulo ArcMap®, utilizando-se a ferramenta “Georeferencing tools”.
Para tal, necessita-se de uma base cartográfica em meio digital, neste exemplo disponibilizada na escala de 1:2.000, que serve para a fixação dos pontos de controle (PCs) necessários ao processo de correção. Os PCs correspondem aos locais que podem ser satisfatoriamente identificados tanto na base cartográfica como na fotografia/imagem de satélite.
Os PCs devem ser distribuídos ao longo de toda a área da fotografia/imagem, caso haja a necessidade desta estar retificada por inteiro, ou se concentrar em uma zona correspondente à área de interesse (por exemplo a região de entorno de uma desembocadura). Neste último caso apenas a região de interesse apresentará uma boa retificação, sendo que o restante da fotografia/imagem pode apresentar um certo grau
Como referência para a demarcação de pontos de controle, comumente utilizam-se cruzamentos de ruas e avenidas, e obras de engenharia de pequena altura (casas). Isto se deve pelo fato de que edifícios altos, principalmente se não estão localizados na região central da imagem, apresentarão um desvio angular em relação ao sensor (câmera fotográfica ou satélite), o que certamente vai influenciar de forma negativa no processo de georreferenciamento. Via de regra, um mínimo de 20 PCs devem ser escolhidos para cada fotografia (Figura 4).
Figura 4: Processo de retificação geométrica das imagens aéreas. A metodologia considera a utilização de 20 pontos de controle distribuídos uniformemente ao longo da área de interesse, que no caso corresponde à área de entorno da desembocadura do rio Piçarras.
Após a retificação de cada fotografia/imagem individualmente, procede-se à construção dos mosaicos de cada série temporal para a visualização integral da enseada e extração das linhas de costa (Figura 5).
Figura 5: Processo de construção dos mosaicos a partir das fotografias aéreas georreferenciadas individualmente.
2.3 Quantificação do Erro Atribuído ao Processo de Retificação
A fim de mensurar imprecisões decorrentes do processo fotogramétrico, como variações na altitude do vôo, inclinação da câmera, distância focal, erros de paralaxe (distorções em função da velocidade da aeronave), inclusive de retificação geográfica das imagens, sugere-se adotar o padrão de posicionamento geoespacial de imagens proposto pelo Comitê Norte-Americano de Padronização de Dados Geográficos (FGDC-STD, 1998). Este padrão utiliza o erro quadrático médio (a ser referido neste estudo por EQM) para quantificar o erro atribuído ao processo de georreferenciamento, e estabelece que a imagem retificada deve ter no mínimo 20 PCs, distribuídos uniformemente sobre toda a área de interesse.
O Erro Quadrático Médio (EQM) corresponde à raiz quadrada da soma das diferenças entre as posições da fotografia e da base cartográfica elevada ao quadrado, e é calculada automaticamente pelo sistema de informação geográfica, através da equação 2:
2
2 ( )
)
(Xfoto Xbase Yfoto Ybase
EQM = − + − (2)
sendo Xfoto e Yfoto correspondentes às coordenadas da fotografia/imagem, e Xbase e Ybase
correspondente às coordenadas da base cartográfica, respectivamente.
O EQM gerado pelos PCs (identificado na Figura 4 por “Total RMS Error”) deve ser multiplicado por uma constante tabelada (1,7308), a fim de se obter um nível de confiança de 95% em relação a posição verdadeira dos pontos na base cartográfica. Este erro corrigido será referido aqui como EQMc. Isso significa que 95% da imagem retificada terá uma exatidão igual ou maior que o EQMc, além de refletir as incertezas embutidas no processo fotogramétrico (FGDC-STD, 1998).
O erro adotado para cada mosaico restituído deve ser referente à fotografia/imagem individual que apresenta o maior EQMc. Como os EQMc de cada mosaico são independentes, deve-se somar os erros de cada série temporal para comparação das linhas de costa. Na comparação da evolução da LC entre 1957 e 1978, por exemplo, somam-se os erros (EQMc) de 1957 ao de 1978, e não devem ser consideradas variações totais menores ou iguais ao valor do EQMc final, pois estes valores podem estar inseridos na amplitude da incerteza.
2.4 Escolha do Indicador e Extração da Linha de Costa
A detecção da linha de costa envolve dois estágios: seleção do indicador que servirá como uma melhor aproximação da interface terra/água, e a detecção desse indicador na fonte dos dados (fotografias, imagem de satélite, perfil praial). Tanto a seleção do indicador quanto a detecção do mesmo são potenciais fatores de incertezas quando se trabalha com estimativas de variação de linhas de costa (Stockdon et al., 2002).
Dada a complexidade da detecção da LC, associada a certo grau de subjetividade, a extração deve ser feita pelo indicador mais discernível e constante nas imagens, que no exemplo aqui apresentado foi a máxima linha d’água, observada na fotografia pela mudança de reflexão do sedimento. A areia seca tem maior reflectância que a molhada, o que gera uma diferença na tonalidade da superfície da praia (Figura 6).
Figura 6: Exemplo de extração de linha de costa da imagem de satélite
“Quickbird” de 2005 utilizando a interface areia seca/molhada como indicador.
2.5 Cálculo das Taxas de Variação da Linha de Costa
Para o cálculo da taxa de variação da linha de costa sugere-se o uso da ferramenta computacional DSAS 3.2 (“Digital Shoreline Analysis System”) desenvolvida para uso na plataforma ArcGis®, proposto por Thieler et al. (2005). A ferramenta gera transectos ortogonais às linhas de costa, com espaçamentos pré-definidos pelo usuário, e então calcula as taxas de variação, que são então reportadas em uma tabela de atributos. Essa ferramenta utiliza, entre outros, o método de análise EPR (“End Point Rate”) para calcular a taxa de variação linear entre duas LC, com espaçamentos determinados ao longo da costa.
O princípio do método é a obtenção da distância de movimentação da LC entre dois períodos distintos, e dividi-la pelo tempo transcorrido, fornecendo assim, a taxa anual de migração, em metros. A análise de múltiplas linhas de costa simultaneamente também pode ser realizada. Para descrição detalhada da metodologia e testes estatísticos envolvidos, consulte o manual do usuário. O download da ferramenta pode
No exemplo, o arco praial da Enseada do Itapocorói foi segmentado em 98 perfis transversais (transectos), numerados do sul para o norte a cada 100m e a partir destes, foram calculadas as taxas de variação da LC para cada perfil (Figura 7).
Figura 7: Exemplo do procedimento de cálculo das taxas de variação da LC através do método EPR. Os pontos amarelos representam as intersecções entre as linhas de costa de 1957 (vermelha) e 2005 (azul). A distância total (m) entre as linhas, dividida pelo intervalo de tempo (anos) corresponde à taxa de variação (m/ano).
2.6 Validação do Método
Esta etapa se configura de grande importância, uma vez que o método apresenta incertezas decorrentes das etapas de pré-processamento, e a validação dos resultados de extração da linha de costa pode ser feita pela comparação das taxas obtidas na análise de fotografias aéreas com as taxas calculadas a partir de monitoramento do perfil topográfico realizado no mesmo local.
No exemplo aqui apresentado foram utilizados dados de perfil de praia referentes ao programa de monitoramento topográfico realizado na região de estudo, antes e após às obras de recomposição da faixa de areia realizadas no ano de 1998 (Araujo, 2008). Estes dados permitiram o cálculo das taxas reais de variação da linha
Quadro 1: Representação da validação do método de extração da linha de costa. O procedimento compara as taxas de variação obtidas pela análise de fotografias aéreas com dados de perfis transversais.
No Quadro 1 a coluna da esquerda mostra a variação média da linha de costa entre os anos de 1995 a 2005, obtida pela análise das fotografias aéreas através da ferramenta DSAS, e indica que a região sofreu uma progradação de cerca de +3,8 metros neste período. O que acontece na realidade é que este valor de progradação corresponde à largura de areia remanescente do total depositado durante a obra de recomposição realizada em 1998, pois a praia continua em processo erosivo (Araujo, 2008, Klein et al., in press).
A variação média da largura, medida com base nos perfis transversais de antes e depois de aterro (coluna do meio) indica uma taxa de progradação média de 31,4 metros, ou seja, em média os perfis foram acrescidos em cerca de +31,4m. Finalmente, a coluna da direita apresenta a taxa real de retração da linha de costa entre 1999 e 2008, medida através do monitoramento topográfico mensal, e indica que a diminuição da largura da faixa de areia foi de -28,6 metros em média para a região. Portanto, ao subtrairmos a taxa de variação calculada pela análise das fotografias
(1998), ou seja, 3,8m – 31,4m, chega-se a um valor de retração de -27,6 metros para a região, muito próximo da taxa “real” medida, que foi de -28,6 metros (Araujo, 2008).
3 CONSIDERAÇÕES GERAIS
A metodologia apresentada foi considerada bastante satisfatória como ferramenta para análise da variação da linha de costa quando não se tem dados de campo disponíveis para georreferenciamento (isto é, dados aquisitados por meio de DGPS, por exemplo), visto que a comparação entre as taxas obtidas através das fotografias aéreas foi condizente com as taxas calculadas pelas variações dos perfis praiais.
As principais limitações deste processo estão relacionadas basicamente com a qualidade dos dados disponíveis, como por exemplo, a escala da base cartográfica e a resolução das fotografias aéreas e imagens de satélite. A utilização de fotografias aéreas analógicas digitalizadas com resolução inferior à 600dpi não é aconselhada, pois a dificuldade na identificação das feições de interesse pode comprometer os resultados finais.
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