Avaliação de Modelos Digital de Elevação para aplicação em mapeamento digital de solos na região do município de Quatá/SP
Jonas de Assis Cinquini 1 Jener Fernando Leite de Moraes 1
Ricardo Marques Coelho 1
1 Instituto Agronômico de Campinas - IAC Av. Barão de Itapura, 1481 – Caixa Postal 28
13012-970 - Campinas - SP, Brasil jonas.cinquini@gmail.com {jfmoraes, rmcoelho}@iac.sp.gov.br
Resumo. Em ambientes de Sistema de Informações Geográficas, o Modelo Digital de Elevação (MDE) é a princi-pal fonte de informação para obtenção dos parâmetros morfométricos do terreno que serão utilizados na predição do mapeamento digital de solos. Nesse contexto o presente estudo tem como objetivo avaliar Modelos Digitais de Elevação de diferentes fontes, na região do município de Quatá/SP, para mapeamento digital de solos. Foi elaborado um banco de dados geográfico no SIG ILWIS 3.3 projetado para o sistema de coordenadas geográfico UTM WGS84 contendo: plano de informação vetorial com informação de 1999 pontos de altitude obtidos por GPS espalhados pela área de estudo; limite espacial da área de estudo; quatro cartas topográficas do IBGE na escala 1:50.000, com espaçamento de 20 metros entre curvas de nível, no formato matricial; MDE obtido no sítio digital do projeto Topodata com resolução espacial de 30 metros; e MDE do sensor ASTER com resolução espacial de 30 metros. Após mosaico e vetorização das cartas topográficas do IBGE, o MDE das cartas topográficas foram obtidos pela interpolação das isolinhas de altitude. Os MDEs foram pré processados visando eliminar dados incon-sistentes. A qualidade dos MDEs foi verificada pelo cálculo do RMSE da diferença entre os valores de altitude dos MDEs com valores obtidos com GPS em campo, e também comparação descritivas entre valores altimétricos dos modelos de elevação, e diferença entre MDEs e o MDE das cartas topográficas. Os valores de RMSE dos MDEs do ASTER, Topodata e Cartas foram respectivamente 11,42, 11,26 e 12,40 metros respectivamente, considerados satisfatório para a escala de trabalho, tipo de terreno e aplicação, segundo a literatura. Portanto o MDE melhor qualificado segundo avaliação foi o Topodata.
Abstract. Into Geographic Information System environment, the Digital Elevation Model (DEM) is the main infor-mation source to obtain surface morphometric parameters that will be used to digital soil mapping prediction. In this context, this study aim to evaluate Digital Elevation Models from different sources, at the region of Quatá/SP city for digital soil mapping. Has been built a geographic database into de ILWIS 3.3 GIS, projected to the UTM WGS84 geographic coordinate system, which contains: 1999 height points obtained from GPS and spread it out to the study area; study area limit; four 1:50.000 IBGE topographic maps scale; DEM from the Topodata project; and DEM from ASTER sensor. After IBGE topo maps vectorization and mosaicking, these DEM from topo maps has been originated from the contour lines interpolation. The DEMs has been pre-processing looking for inconsistency data removing. DEMs quality has been verified from the RMSE difference from the height values of all digital elevation models and the GPS ground truth points, and descriptive comparisons between DEMs height values, and difference between DEM and topo maps DEM originated. The RMSE values of ASTER, Topodata and topo maps DEMs were 11,42, 11,26 and 12,40 meters respectively, all of those values were evaluated as satisfactory, for the study scale, surface type and application, according to the literature. Therefore, the best evaluated DEM by the study evaluation was the Topodata.
Key-words: Digital Elevation Model, digital soil mapping, geoprocessing. 1. Introdução
O Modelo Digital de Elevação (MDE), também referido como Modelo Digital do Terreno (MDT), é uma representação digital da topografia da terra. Um exemplo é o mapa de elevação representado por um conjunto de pontos em um espaço cartesiano atribuído a um valor de altitude aproximado da superfície da terra. Levando em consideração que o MDE implica na informação de elevação de maneira contínua em toda a superfície da área de estudo (Hengl et al., 2003).
A altitude tem sido reconhecida como uma das variáveis essenciais e fundamentais em Sistema de Informações Geográficas (Atkinson, 2002), esse fato devido a importância do MDE na derivação de atributos topográficos, esses que são fonte de muitas variáveis aplicadas na caracterização de unidades da paisagem. O solo aparece como um elemento que reflete as varia-ções das diferentes paisagens. Segundo Valeriano (2003) o desenvolvimento de solos são res-posta da ação hidrológica e processos erosivos na paisagem.
A utilização de métodos computacionais para modelagem da superfície terrestre tem au-mentado com o alto avanço tecnológico recente (Atkinson, 2002). No entanto, a vasta aplicação de MDEs reflete na sua utilização sem seus devidos cuidados. As matrizes de dados altimétricos apresentam erros em seu processo de criação, seja automático ou manual (Felicísimo, 1994).
Para Oksanen (2005), erros na criação dos modelos de elevação sempre ocorrerão, e de-verão ser identificados e corrigidos ou minimizados, porém a medida em que a modelagem avança com posteriores análises, interpretações e aplicações, a incerteza dos dados criados e manipulados aumenta. Portanto é de fundamental importância o conhecimento da característica dessa incerteza e minimizar o máximo possível do erro no início da modelagem.
2. Objetivo
Avaliar Modelos Digitais de Elevação de diferentes fontes, na região do município de Quatá/SP, para mapeamento digital de solos.
3. Material e Métodos
A área de estudo localiza-se no oeste do estado de São Paulo, entre as latitudes 22° e 22°30’ sul e longitudes 50°30’ e 51°, pertencendo às quatro cartas topográficas do IBGE com escala 1:50.000: Rancharia, João Ramalho, Quatá e Paraguaçu Paulista (Figura 1).
Figura 1. Localização geográfica da área de estudo com o limite das cartas topográficas 1:50.000
(1-Rancharia, 2-Quatá, 3-João Ramalho, 4-Paraguaçu Paulista) e pontos de cotas altimétricas. Para realização do estudo foi elaborado um banco de dados georreferenciado no sistema de coordenadas projetado UTM WGS84 no SIG ILWIS 3.3 e ArcGIS 9.3. O banco de dados contém dados no formato vetorial: pontos de cotas altimétricas coletados por GPS diferencial da Garmin (modelo GPS Map 76 C) em campo e limite da área de estudo. E matricial: cartas topográficas na escala 1:50.000 obtidas no sítio digital do IBGE (IBGE, 2013) com informa-ções de curvas de nível espaçadas em 20 metros, corpos d´água e cotas altimétricas; MDE com resolução espacial de 30 metros obtido no sítio digital do projeto Topodata (Topodata, 2013); e imagem com informações altimétricas na resolução espacial de 30 metros do sensor ASTER (NASA, 2013).
As matrizes de cartas topográficas foram ajustadas espacialmente, adotado o sistema de projeção geográfico do banco de dados e reamostradas com valor do pixel igual a 30 metros no ArcGIS A vetorização das curvas de nível foi realizada de maneira automatizada pela ferramen-ta ArcScan. Após posterior conferência e correções dos vetores gerados, foi obtido um plano de informação vetorial de curvas de nível com atributo de valor de altitude e pontos de cota. Posteriormente todos os planos de informação foram importados no ILWIS, onde foi padroni-zado o sistema de projeção e recorte dos dados com base no vetor de limite da área de estudo. A obtenção do MDE a partir das cartas topográficas foi realizada pela interpolação linear dos valores de altitude em cada célula da imagem. Para refinamento do modelo de elevação foram combinados pontos com informações de cotas altimétricas existentes nas cartas topográ-ficas à matriz de elevação recém elaborada. Antes das análises dos MDEs, foi realizado um pré-processamento dos mesmos de acordo com metodologia de Hengl et al. (2003), onde feições planas no topo de morros ou vales profundos aplainados, picos muito altos ou muito profundos, foram ajustados pela aplicação de operações estatísticas por meio de janelas pixel a pixel nas imagens.
Para avaliação dos MDEs os pontos de solos coletados com GPS foram convertidos para o formato matricial, mantendo o atributo de altitude, e foram tidos como altitude de referência. O primeiro método de avaliação foi pela medida de qualidade da raiz quadrada do erro médio
quadrático (RMSE) de cada matriz de dados de altitude com os pontos de GPS (Equação 1).
(1) Onde d é a diferença entre os pontos de altitude coletados com GPS e os MDEs e n é o número total de pontos de altitude. A operação foi realizada pela técnica de álgebra de mapas. Outro método utilizado para avaliar a qualidade dos modelos digitais de elevação foi pela com-paração entre eles mesmos pela obtenção de perfis de elevação e da diferença.
4. Resultados e Discussão
Os resultados da RMSE dos MDEs, bem como seus dados estatísticos, estão apresentados na Tabela 1 e mostram grande semelhança entre os valores da raiz quadrada do erro médio quadrático dos modelos de elevação originados do ASTER (sensor orbital) e do projeto TOPODATA (MDE originado da refinação dos dados SRTM da missão da NASA). O valor do RMSE do MDE da carta topográfica não apresentou valores muito discrepantes perante os outros modelos de elevação, porém foi o que apresentou maior valor de imprecisão, comparado aos dados de altitude obtidos pelo GPS.
Tabela 1. Valores estatísticos e RMSE dos Modelos Digitais de Elevação.
MDE Valor Mínimo Valor Máximo Média Desvio Padrão (metros)RMSE
ASTER 337 614 462.71 45,33 11,42
Topodata 339,33 609,73 464,12 45,61 11,26
Carta Topográfica 324,07 606,78 461,28 47,53 12,40
Comparando os MDEs obtidos por sensores orbitais, verifica-se uma sutil superioridade na qualidade do modelo obtido pelo projeto Topodata (11,26 metros), comparado ao do sensor ASTER (11,42 metros). Essas premissas denotam uma pequena precisão de modelos digitais de elevação em terrenos suave-ondulado comparado aos MDEs originados das cartas topográficas. De maneira geral os valores de RMSE obtidos não são tão alarmantes para elaboração de ma-peamento de solos, pois segundo Hirano et al. (2003) valores de RMSE entre 7 e 15 metros em modelos digitais de elevação oriundos do sensor ASTER são considerados adequados.
Outro método utilizado para avaliação dos modelos digitais do terreno foi a comparação descritiva dos valores de altitude ao longo de uma reta transversal nos MDEs avaliados. A
Figura 2a representa a linha transversal tracejada sobre a imagem de elevação do Topodata.
Enquanto que as variações altimétricas dos MDEs avaliados são representadas no gráfico ilus-trado na Figura 2b.
Nas altitudes entre 380 e 450 metros a divergência do MDE gerado pela carta topográfica comparado aos outros modelos é maior do que o observado em maiores altitudes. Essa di-vergência é caracterizada por valores menores de altitude do modelo gerado pelas cartas com-parado aos modelos originados por sensores orbitais na faixa de 380 a 450 metros.
Outra análise realizada é a diferença dos MDEs gerados, que é expressa em metros, onde valores positivos indicam que o MDE comparado apresenta valores maiores que o de referência, e valores negativos demonstram o contrário. A Figura 3a apresenta uma linha transversal sobre
uma imagem classificada de diferença entre o modelo digital de elevação do Topodata e o MDE das cartas.
Figura 2. Perfil de elevação com a linha transversal desenhada sobre o MDE do Topodata (a) e
o gráfico dos perfis de elevação dos MDEs ASTER, Topodata e Carta Topográfica (b).
(a)
Figura 3. Linha do perfil sobre a imagem da diferença entre os valores de altitude do MDE do
Topodata com o MDE das cartas (a). Representação gráfica das diferenças entre os valores de altitude dos MDEs do Topodata e Aster com o MDE das cartas topográficas (b).
A predominância da coloração azul na imagem é a representação dos valores positivos, en-quanto que os valores nulos (valores de altitude do MDE do Topodata foram iguais ao do MDE das cartas) são representados pela coloração esbranquiçada (pequena porção da imagem), e em maior quantidade que os valores próximos a zero, porém menor que os valores positivos, as colorações próximas ao marrom representam os valores negativos. Já na Figura 3b a diferença anteriormente citada e a diferença entre as altitudes do MDE do ASTER com o MDE das cartas
renças em metros e no eixo x a distância em metros da linha transversal percorrida no terreno. Os valores da diferença de altitude com maior representatividade para o “MDE ASTER – MDE Carta” e “MDE Topodata – MDE Carta” são positivos (90.6% e 95% respectivamente), ou seja, os valores de altitude obtido pelos MDEs ASTER e Topodata são superestimados com-parado ao MDE originado das cartas topográficas (a superfície representada por esses modelos é mais elevada comparada ao MDE da carta). Os valores da diferença de altitude negativos en-tre os modelos ASTER e Topodata com o MDE originado pelas cartas topográficas representam 9.3 e 4.8 % respectivamente. A média da diferença entre o MDE do ASTER e o MDE Carta é igual a 8.2 metros, e 8.9 metros para a diferença de altitude entre o modelo do Topodata e o das cartas topográficas.
A metodologia apresentada para avaliar a qualidade dos MDEs foi abordada quantitativa-mente, ou seja, apoiado em valores de raiz quadrada do erro médio quadrático e comparações descritivas entre as medições altimétricas por método de álgebra de mapas. Vale enfatizar que para uma avaliação completa do MDE para mapeamento de solos, é necessário abordar também o viés qualitativo, ou seja, avaliar os dados em termos da representação dos aspectos da super-fície. Essa avaliação pode ser realizada pela comparação de bacias de contribuição e rede de drenagens originadas dos modelos digitais de elevação que se deseja avaliar.
5. Conclusões
Os MDEs avaliados são passíveis para serem utilizados em aplicações de mapeamento digitais de solos em escala regionais com relevo suava-ondulado.
O Modelo Digital de Elevação originado pelas cartas topográficas apresentaram valores subestimados comparado aos valores dos MDEs do projeto Topodata e ASTER.
Os MDEs oriundos de sensores remotos (ASTER e Topodata) demonstraram maior quali-dade quando avaliados com referência em pontos de altitude coletados com GPS.
Além da abordagem quantitativa para avaliação dos modelos Digitais de Elevação realiza-da nesse estudo, é relevante também a aplicação de técnicas qualitativas para avaliar os MDEs que serão utilizados para mapeamento digital de solos.
6. Agradecimentos
Ao projeto Ambicana por ceder importantes dados altimétricos coletados com GPS em campo. Pós graduação do IAC, FundAg e Capes pelo apoio à pesquisa.
7. Referências
Atkinson, P.M. Surface Modelling: what´s the point? Transactions in Geographical Information, 6. (1), p. 1-4. 2002.
IBGE. Cartas Topográficas do Mapeamento Sistemático Brasileiro, escala 1:50.000. IBGE/DSG. Disponível em <ftp://geoftp.ibe.gov.br>. Acesso em: julho 2013.
Felicísimo, A. M. Parametric statistical method for errors detection in digital elevation models. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, v.49, p.29-33, 1994.
Hengl, T.; Gruber, S.; Shrestha, D.P. Digital Terrain Analysis in ILWIS. Lecture Notes. International Institute for Geo-Information Science & Earth Observation (ITC), Enschede. p. 56, 2003.
Hirano, A.; Welch, R. & Lang, H. Mapping from ASTER stereo image data: DEM validation and accuracy as-sessment. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, v. 57, p.356-370, 2003.
NASA. National Aeronautics and Space Administration. EOSDIS – Nasa´s Earth Observing System Data and In-formation System. Reverb/ECHO. Disponível em: <http://reverb.echo.nasa.gov/reverb>. Acesso em julho 2013.
Oksanen, J.; Sarjakoski, T. Error propagation of DEM-based surface derivatives. Computer &Geosciences, v. 31, n. 8, p. 1015-1027, 2005.
Valeriano, M. M. Curvatura vertical de vertentes em microbacias pela análise de modelos digitais de elevação. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.7, n.3, p.539-546, 2003.
Topodata – Banco de dados geomorfológicos do Brasil. Disponível em: <http://www.dpi.inpe.br/topodata>. Acesso em: agosto 2013.
