Potencial das imagens de satélites gratuitas para o mapeamento da bacia do rio Ocoy – oeste do PR
Vanderlei Leopold Magalhães1 1
Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Caixa Postal 271 - 85884-000 - Medianeira - PR, Brasil
vlmagalhaes@utfpr.edu.br
Abstract. Geotechnologies are excellent tools if applied to the development of studies that involve the environment. Being widely available on the Internet, they become available to all educational and research institutions. The proposal of this work is thus to show a routine of development of thematic maps (slope, hypsometry and land use maps) of the Ocoy river, generated using the free software SPRING and free images from the LANDSAT – 5 satellite, besides images from the SRTM mission. This allows for a wide vision of how to use those resources to generate information about the environment. The Ocoy river is a potential object of research because it is an affluent of the Paraná River, and because its basin is mostly comprised by agricultural land and some urban sites, such as Medianeira and Matelândia, responsible for the formation of industrial and urban waste found in the river. Results found in the survey of land use of the Ocoy basin with free technologies of Remote Sensing and Geographic Information Systems have shown to be satisfactory, enabling an easy interpretation of the data and an integrated and interdisciplinary analysis for planning and integrated management of the exploitation of the available resources.
Palavras-chave: remote sensing, land use, image classification. sensoriamento remoto, uso do solo, classificação de imagens.
1. Introdução
No Brasil, ainda que lentamente, o setor de Geoprocessamento tem crescido se comparado ao resto do mundo. Atualmente, qualquer organização pública e/ou privada pode utilizar o Geoprocessamento, sem a necessidade de grandes investimentos financeiros, o que justifica seu uso corrente em praticamente todas as instituições de ensino do país, que podem utilizar informações geográficas sem custos adicionais.
A princípio, na análise ambiental, essas geotecnologias têm uma vasta aplicação e são representadas essencialmente pelo Sensoriamento Remoto, a Cartografia Digital, o Sistema de Posicionamento Global (GPS), os Sistemas de Informações Geográficas (SIG) e a Topografia (ROSA, 2005). No entanto, o potencial dessas tecnologias, nos estudos ambientais, não tem sido suficientemente explorado. Para Florenzano (2005), isso se deve à falta de formação inicial e à falta de formação continuada de muitos profissionais, essencial para acompanhar os crescentes avanços tecnológicos.
Aos trabalhos no âmbito do SIG, inclui-se o mapeamento da paisagem, a fim de gerar documentos de declividade do terreno, geologia, solos, susceptibilidade erosiva, vegetação (remanescentes e desmatamento), rede de drenagem, rede elétrica e uso do solo. Esses documentos podem ser gerados a partir da criação de uma Base de Dados Geográficos, a qual servirá para tomadas de decisão dentro da gestão territorial e da gestão ambiental, visando menor risco para investimentos e agilização de obras de infraestrutura (Projetos, Estudos, Licenciamentos).
A crescente disponibilidade de dados orbitais na Internet de forma gratuita, como aqueles dos satélites Sino-Brasileiro de Recursos Terrestres - CBERS e o norte americano LANDSAT, além de softwares de processamento, análise e integração de dados como, por exemplo, o SPRING (Sistema de Processamento de Informações Georreferenciadas), justifica a exploração desses dados pelos geógrafos, engenheiros ambientais e outros profissionais.
Essa disseminação dos softwares de Geoprocessamento tem contribuído para inúmeras áreas de estudos geográficos, desde o planejamento urbano e regional, como análise de recursos naturais e feições geomorfológicas.
No caso de estudos geomorfológicos, a aquisição de imagens do Radar SRTM - Shuttle Radar Topography Mission – disponibilizados no Brasil pela Empresa Brasileira de Agropecuária (EMBRAPA) é de grande importância para a análise de dados, pois através destas imagens é possível gerar informações da região de interesse, como as curvas de níveis e possibilitar ainda a produção de diversos outros mapas como de altimetria e declividade. Além destes, a criação do Modelo Numérico de Terreno (MNT) proporciona a concepção de representações tridimensionais podendo ser aplicadas em diversas análises ambientais.
Para Carvalho (2004), o uso das imagens SRTM tem se tornado cada vez mais frequente em estudos geológicos, hidrológicos, geomorfológicos, ecológicos, dentre outros, em particular para análises tanto quantitativas como qualitativas do relevo e seus agentes modificadores.
A bacia hidrográfica tem sido indicada por vários autores como uma unidade geomorfológica e territorial fundamental para o planejamento integrado do manejo dos recursos naturais. E nestas unidades o uso de imagens de Sensoriamento Remoto tem grande aplicabilidade na produção de mapas temáticos. Por isso, a produção de mapas de uso do solo, a partir da classificação digital de imagens de sensoriamento remoto, tem sido uma metodologia amplamente adotada, de modo a contribuir com os estudos e análises ambientais.
De acordo com Florenzano (2008), os sistemas de processamento e análise de imagens, munidos de softwares específicos, permitem aplicar técnicas de processamento de imagens, como as de correção e realce dos dados, e classificações automatizadas. Uma das vantagens desse tipo de software como o SPRING é, além da geração direta de um plano de informação e de uma carta temática, a possibilidade de acessar, superpor e integrar à imagem analisada uma grande variedade de dados armazenados no sistema, como curvas de nível, drenagem, solos, geologia, hidrografia, uso e ocupação das terras.
É neste contexto que este trabalho descreve uma rotina de elaboração de mapas temáticos de declividade, hipsometria e uso do solo da bacia do rio Ocoy, gerados com uso do software livre SPRING e das imagens gratuitas do satélite LANDSAT – 5, com resolução espacial de 30 metros, e das imagens da missão SRTM, propiciando, desse modo, uma visão geral de como utilizar estes recursos para gerar informações sobre o meio ambiente.
O rio Ocoy torna-se um objeto de análise em potencial por ser um tributário (afluente) do rio Paraná – atualmente recoberto pelo lago de Itaipu – e sua bacia ser ocupada em sua maior parte por culturas agrícolas, e alguns sítios urbanos, como Medianeira e Matelândia, responsáveis pela formação de rejeitos industriais e urbanos que são encontrados no rio. O Ocoy possui em sua foz uma praia artificial criada a partir da formação do lago para a usina hidrelétrica de Itaipu, uma das maiores represas do planeta, a qual apresenta forte relação com o seu entorno, pois além de servir como elemento básico para a geração de energia, o lago se mostra como uma área em potencial para a navegação, recreação, turismo, pesca e captação de água para fins industriais, urbanos e rurais.
2. Metodologia de Trabalho
2.1. Localização e caracterização da área
No contexto nacional, a bacia hidrográfica do rio Paraná III possui uma área de 8.000 km2, onde estão localizados 29 municípios com aproximadamente 1 milhão de habitantes. Os principais impactos ambientais observados nesta bacia são os decorrentes das atividades agropecuárias, tais como: erosão e a consequente concentração de sedimentos nas águas dos
rios; contaminação dos solos, das águas e das pessoas por agrotóxicos; acúmulo de dejetos da pecuária nas águas dos rios, provocando a eutrofização; desmatamento para abertura de áreas de pasto e lavoura, incluindo as margens de rios; canalizações de esgotos urbanos e industriais para rios, sem o devido tratamento (ITAIPU, 2009).
Essa é a realidade da bacia hidrográfica do Paraná III, a qual ocupa grande parte do território do Estado do Paraná, apresentando um complexo de ambientes físicos com particularidades climáticas, geomorfológicas, pedológicas, hidrológicas e geológicas sob o qual se organiza diferentes tipos e intensidades de usos antrópicos.
Em termos territoriais, a região Oeste do Estado do Paraná está inserida geomorfologicamente no Terceiro Planalto do Paraná, também chamado de planalto de Guarapuava, e é a mais extensa das unidades de relevo do Estado, constituída por rochas ígneas eruptivas, principalmente basaltos (MAACK, 2002).
Essas rochas basálticas, sob condições de um clima subtropical mesotérmico, brando e úmido, sem estação seca, foram entalhadas, ao longo do tempo, moldando o leito de importantes rios e configurando bacias hidrográficas de grande significado regional, como a bacia do Ocoy, cujo rio é afluente do rio Paraná.
Essas características climáticas atreladas a pluviosidade da região Oeste, com índices entre 1400 e 2000 mm anuais e temperaturas médias anuais entre 20 °C (IAPAR, 1994), são os responsáveis pelo intemperismo físico e químico dessas rochas basálticas, que dão origem aos solos de coloração vermelha e muito profundos.
De acordo com a Embrapa (2007), na bacia do Ocoy predominam três classes de solos que se distribuem de acordo com a posição topográfica na vertente. O Latossolo Vermelho Eutroférrico aparece recobrindo toda a borda da bacia, onde se localizam os divisores de água mais elevados. Nas áreas de fundo de vale até a média vertente da drenagem principal (rio Ocoy) e de seus afluentes, se encontra o Nitossolo Vermelho Eutroférrico, enquanto a partir da média vertentes até os divisores de água da drenagem secundária prevalecem solos rasos evidenciando o afloramento de rochas, reconhecidos como Neossolos Regolíticos Eutróficos.
2.2. Métodos
Os procedimentos técnicos consistiram na aplicação de diferentes rotinas para a coleta das informações e organização do banco de dados da bacia do rio Ocoy.
No processo de organização dos dados, optou-se por utilizar as imagens do satélite LANDSAT – 5, disponíveis no site da Global Land Cover Facility (GLCF) no endereço http://glcf.umiacs.umd.edu/index.shtml. Essas imagens obtidas gratuitamente estão georreferenciadas e podem servir de base para o registro de qualquer outra imagem, inclusive para as adquiridas no site do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), no endereço http://www.dgi.inpe.br, que por vezes apresentam maior opção de cenas da mesma área.
A cena que recobre a bacia é a do sensor TM do LANDSAT-5, órbita 224 e ponto 77 com cobertura em 13 de junho de 2006. As bandas utilizadas para a segmentação, classificação e mapeamento temático no projeto foram: B3 (vermelho 630-690 nm), B4 (infravermelho próximo 760-900 nm) e B5 (infravermelho médio 1550-1750 nm).
Para gerar as informações altimétricas da bacia do rio Ocoy foram utilizadas as imagens SRTM com resolução espacial de 90 metros, disponíveis no sitio Consortium for Spatial Information (CGIAR-CSI) – (http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp) – pois estas imagens recobrem uma vasta área geográfica, atendendo aos interesses da pesquisa.
O banco de dados foi construído no software SPRING 5.1.6, estruturando um projeto com projeção UTM, datum WGS-84, fuso 21 e retângulo envolvente com coordenadas de longitude oeste entre 54o26’00’’e 53o55’00’’ e latitude sul entre 25o21’00’’ e 25o50’00’’.
3. Resultados e Discussão
Durante o processo de elaboração do projeto no SPRING foi possível ter uma visão planimétrica e altimétrica da bacia do rio Ocoy. Na interpretação dos dados planimétricos, a partir das imagens LANDSAT, ressalta-se a importância em aplicar os elementos chaves, principalmente a cor, a forma, o tamanho, a textura, o padrão e a sombra. Esses elementos chaves se mostraram relevantes quando analisados juntamente com as feições do relevo, ressaltadas na imagem sintética (Figura 1), com realce linear correspondente às composições Red (banda 5), Green (banda 4) e Blue (banda 3), e por conseguinte na análise dos mapas de declividade e de hipsometria da bacia.
Figura 1. Detalhe do projeto da bacia do rio Ocoy com a composição colorida das imagens Landsat.
Esta construção temática iniciou-se com a importação do arquivo MNT (SRTM), que serviu de base para a edição vetorial de delimitação da bacia e vetorização da rede de drenagem. O MNT recortado com os limites da área foi submetido à análise geoestatística para identificação das cotas altimétricas, mostrando uma variação entre 215 e 652 metros.
Com uma amplitude 437 metros optou-se em valorizar as formas de relevo gerando classes hipsométricas com o intervalo de 50 metros, conforme a Figura 2. No detalhe da hipsometria e nos demais documentos cartográficos, a hidrografia é sempre valorizada. Para extrair esta rede de drenagem, a imagem SRTM foi submetida ao procedimento de Processos Hidrológicos / Geração de Grades. Este procedimento gerou um Plano de Informação (PI) LDD (grade de direções de fluxo) e um PI ACM (grade de fluxos acumulados) na categoria MNT previamente selecionada. Estes PIs são constituídos por uma matriz e uma imagem em tons de cinza 32 bits.
Com o PI que contém a grade de fluxos acumulados gerou-se a Grade de Drenagem. Para isso utilizou-se a ferramenta MNT / Processos Hidrológicos / Rede de Drenagem. Para que o SPRING considerasse todos os valores da grade de fluxos, no campo “Limite de Saída” o valor igual a 1 foi indicado.
Criada a grade de Drenagem, gerou-se uma imagem para alterar o contraste e possibilitar a visualização de toda a rede. Para isso, selecionou-se o PI que continha a rede de drenagem e através da ferramenta MNT/Geração de Imagem criou-se, em uma categoria de imagem, um PI com a imagem da rede de drenagem em formato 32 bits. Em seguida, para melhorar a visualização da rede de drenagem alterou-se o contraste da imagem. Esta imagem foi utilizada como plano de fundo na vetorização da rede de drenagem (Figura 3).
Figura 2. Detalhe da elaboração da hipsometria da bacia do Ocoy.
Figura 3. Detalhe do contraste da imagem ACM para vetorização da hidrografia.
Para o mapa de declividade, gerado a partir do produto SRTM, as classes criadas no fatiamento seguiram as orientações metodológicas da Embrapa (2007), distribuídas entre as porcentagens de 0 a 3 (Plano), 3 a 8 (Suave Ondulado), 8 a 20 (Ondulado), 20 a 45 (Forte Ondulado) e > 45 ( Montanhoso), conforme a Figura 4.
Esta organização dos dados da rede de drenagem juntamente com as representações altimétricas deram suporte para a interpretação das imagens LANDSAT no mapeamento temático. Nota-se na Figura 1, 2 e 4 que o setor norte da bacia apresenta um relevo mais acidentado e isso reflete diretamente nos solos que predominam nestes locais, os solos rasos (Neossolos Regolíticos Eutróficos), e, nos setores de menor declividade, as culturas temporárias predominam.
Para o processo de construção do mapa temático de uso do solo da bacia do rio Ocoy, organizou-se uma classificação da paisagem que correspondesse às seguintes classes: Área Agrícola – com cultura, Área Agrícola – sem cultura, Afloramento de Rocha, Vegetação, Área Urbana e Lago. A opção em separar a classe área agrícola com cultura e sem cultura se deu pelo fato da imagem ser do mês de junho, momento em que, no oeste do Paraná, os agricultores aproveitam para cultivar plantas de ciclos curtos, esperando o mês agosto para dar início ao plantio da soja. Como resultado destes estágios ou ciclos de cultura nos meses que antecedem a agosto, a paisagem é recortada por plantações que estão no seu estágio final e/ou no seu estágio inicial.
Desta maneira, mesmo tendo um conhecimento prévio da organização da paisagem da bacia do rio Ocoy, optou-se por submeter as imagens LANDSAT-5 (bandas 3, 4 e 5), com resolução espacial de 30 metros, ao classificador ISOSEG, pois como este se trata de um método não-supervisionado, os resultados da opção de similaridade resumem-se à quantidade de classes geradas e nenhuma região deixa de ser classificada.
Neste procedimento, as bandas foram segmentadas pelo método de crescimento de regiões, mantendo dois padrões de segmentação. O primeiro, com limiar de similaridade 5 e área-pixel 30 e o segundo com similaridade 5 e área-pixel 80, sempre com limiar de aceitação máxima (99.9%).
Como já salientado, o prévio conhecimento da área de estudo mostrou-se como um ponto positivo na classificação da imagem. Isto pode ser constatado na Figura 5, onde é possível evidenciar que, na segmentação com similaridade 5 e área-pixel 30, a vegetação de mata ciliar nas margens do lago de Itaipu foi bem representada (na cor azul escuro), enquanto que com a similaridade 5 e área-pixel 80 a mata ciliar não foi representada (Figura 6). Outro dado interessante é que a textura gerada na composição colorida da imagem já exibe as variações do relevo e o afloramento de rocha. Esta classe temática é melhor compreendida na segmentação demonstrada na Figura 5.
As áreas agrícolas da mesma maneira foram melhor representadas na segmentação com limiar de similaridade 5 e área-pixel 30. Já os núcleos urbanos que integram a bacia foram agrupados com a classe de área agricultura sem cultura. Por decorrência disso, essas áreas
Figura 5. Mata ciliar em azul escuro na segmentação com limiar de similaridade 5 e área-pixel 30.
Figura 6. Mata ciliar em marrom claro na segmentação com limiar de similaridade 5 e área-pixel 80.
urbanas foram editadas fazendo-se uso da edição matricial, copiando áreas da segmentação. A cidade de Medianeira está localizada no centro-sul da bacia e a cidade de Matelândia no setor leste. Desta maneira, o produto desta interpretação de dados é representado pelo mapa de uso do solo (Figura 7), podendo ser editado com todos os elementos necessários num mapa temático: título, legenda, escala, coordenadas e orientação.
Figura 7. Resultado do mapeamento do uso do solo da bacia do rio Ocoy. 4. Conclusões
Com a utilização de um Sistema de Informação Geográfica e técnicas de interpretação de dados do Sensoriamento Remoto, foi possível a geração de mapas temáticos que apresentam dados relevantes aos estudos ambientais.
É importante ressaltar que este mapeamento foi realizado com produtos gratuitos, sendo cada vez mais acessível a pesquisadores, deixando de ser uma evolução e provocando uma revolução na ciência, já que estes produtos tornam-se cada vez mais acessíveis não só ao meio acadêmico, mas ao público em geral. Desta maneira, acrescenta-se que o uso de dados gratuitos de satélites disponíveis na internet mostrou-se satisfatório para o levantamento do uso do solo da bacia do rio Ocoy, proporcionando uma fácil interpretação da imagem para os objetivos propostos.
Os resultados obtidos na bacia com as tecnologias do Sensoriamento Remoto e dos Sistemas de Informações Geográficas permitem desenvolver procedimentos de análise e síntese, tanto para avaliações diagnósticas como prognósticas. A avaliação de processos em bacias hidrográficas potencializa a abordagem integrada e interdisciplinar, neste caso, as geotecnologias subsidiam tanto o zoneamento ambiental, quanto o planejamento e gestão integrada da exploração dos recursos disponíveis.
5. Referências Bibliográficas
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