Uso de imagens de satélite para identificação de áreas queimadas para uso em laudos periciais de incêndios florestais
Carlos Alberto Trindade1 Bárbara Oliveira Trindade2
Carla Rafaele Santana 3
1Setor Técnico-Científicoda Superintendência Regional de Minas Gerais – Polícia Federal
Rua Nascimento Gurgel, n° 30 - Bairro Gutierrez - 30430-340 – Belo Horizonte - MG, Brasil carlos.cat@dpf.gov.br
2 Setor Técnico-Científicoda Superintendência Regional de Minas Gerais – Polícia Federal Rua Nascimento Gurgel, n° 30 - Bairro Gutierrez - 30430-340 – Belo Horizonte - MG, Brasil
barbara.bot@dpf.gov.br
3 Setor Técnico-Científicoda Superintendência Regional de Minas Gerais – Polícia Federal Rua Nascimento Gurgel, n° 30 - Bairro Gutierrez - 30430-340 – Belo Horizonte - MG, Brasil
carla.crs@dpf.gov.br
Abstract. Forest fires have the potential of destruction of biodiversity, water resources, soil and air quality, and
offer hazard to property and bodily integrity of rural populations. Thus, preventing and fighting fires are essential to minimize such losses. In this context, the use of remote sensing data is essential to provide data for temporal and spatial resolutions required for monitoring and analysis of burned areas. The objective of this study is to evaluate the use of satellite images for the quantification and identification of burned areas aiming to calculate the extent of damage, by means of multispectral indexes, NDVI (Normalized Difference Vegetation index) and NBR (Normalized Burn Ratio) and also the classification method using Gaussian Maximum Likelihood (GML). The region analyzed encompasses the Parque Nacional da Serra do Cipo (National Park) - PNSCi and the Área de Proteção Ambiental (Environmental Protection Area) do Morro da Pedreira – APAMP, points of occurrence of several wildfires in recent years in Minas Gerais state. Images of TM / Landsat 5 were used for quantification and identification of fires in those areas. The results obtained by those methods were effective in reaching the calculation of burned areas, with advantages and limitations which are discussed in conclusion.
Palavras-chave: Image processing, Remote Sensing, Burnet areas, NDVI, NBR, GML, NDVI, IQN, MAXVER. 1. Introdução
A lei federal n° 9,605/98, Lei de Crimes Ambientais, institui que a proteção ao meio ambiente passou a ser tutelada penalmente, resultando numa maior proteção dos bens ambientais. A realização de exames periciais, necessária à caracterização e apuração de crimes cometidos contra o meio ambiente nas áreas de responsabilidade da União, compete à Criminalística da Polícia Federal. Tais áreas de competência englobam as Unidades de Conservação Federais.
O artigo n° 274 do Código Penal cita que: “quem provocar incêndio em terreno
ocupado com floresta, incluindo matas, ou pastagem, mato, formações vegetais espontâneas ou em terreno agrícola, próprios ou alheios, é punido com pena de prisão de 1 a 8 anos”. De
acordo com o Art. 158 do Decreto-lei Nº 3.689, de 3 de outubro de 1941 - Código de Processo Penal (CPP): “Quando a infração deixar vestígios, será indispensável o exame de
corpo de delito, direto ou indireto, não podendo supri-lo a confissão do acusado.” Os exames
periciais envolvendo incêndios florestais se baseiam no entendimento da dinâmica do evento por meio do levantamento da causa, ponto ou área de origem, extensão dos danos e autoria. Na quantificação dos danos, faz-se necessário o cálculo da área incendiada que será abordado no presente artigo.
2. Área de Estudo
A área de estudo abrange o Parque Nacional da Serra do Cipó (PNSCi) e a Área de Proteção ambiental Morro da Pedreira (APAMP), localizados na mesorregião Metropolitana de Belo Horizonte, estado de Minas Gerais (vide Figura 1).
O Parque Nacional da Serra do Cipó (PNSCi) foi criado pelo Decreto nº. 90.223, de 25 de setembro de 1984, com o objetivo de proteger a fauna e flora, proteger as bacias e preservar as belezas cênicas da região da Cadeia do Espinhaço, particularmente da Serra do Cipó.
A Área de Proteção Ambiental Morro da Pedreira (APAMP) foi criada pelo Decreto nº 98.891 de 26 de janeiro de 1990, com o objetivo proteger e preservar os sítios arqueológicos, a cobertura vegetal, a fauna silvestre e os mananciais do Morro da Pedreira, área que circunda o PNSCi, cuja preservação é de fundamental importância para o ecossistema de toda aquela região próxima à capital mineira.
As duas unidades de conservação, em conjunto, representam importantes remanescentes de Cerrado, constituindo-se em uma das principais áreas de preservação da biodiversidade deste bioma no estado de Minas Gerais.
O clima predominante na Serra do Cipó é o tropical, com verões frescos e com estação seca bem pronunciada. Ressalva-se, no entanto, que, como em todo sistema montanhoso, o conjunto orográfico da serra implica em drásticas diferenças climáticas ao longo do espaço, resultando em que regiões muito próximas possam ter climas bastante distintos. Tal particularidade acarreta reflexos na vegetação, padrões erosivos, solos e hidrologia. A precipitação média anual na região varia entre 1300 e 1600 mm, com concentração de novembro a março.
Esta alta concentração pluviométrica, associada à pressão antrópica relacionada à atividade rural no entorno daquelas unidades de conservação, faz com que seja frequente a ocorrência de incêndios na estação seca, tanto no PNSCi quanto na APAMP (ICMBIO, 2009).
3. Determinação de Áreas queimadas utilizando imagens de satélite
A determinação de áreas incendiadas por meio de imagens de satélite é de vital importância para a perícia criminal devido a diversos fatores práticos encontrados no trabalho campo. Os incêndios envolvem normalmente grandes áreas, com frentes de diversos quilômetros, aliado à presença de terrenos por vezes acidentados (Figura 2). Dependendo de condições favoráveis, tipo de vegetação, localização do foco do incêndio, topografia, entre outros, os incêndio podem ocorrem sob diversas intensidades. No trabalho de campo realizado, verificou-se a ocorrência de incêndios em gramíneas, no sub-bosque (envolvendo gramíneas e arbustos) e incêndios mais intensos, envolvendo bosque e sub-bosque. Mesmo em incêndios florestais de grandes proporções, verifica-se a ocorrência de ilhas de vegetação não queimadas (Figura 2).
Estes citados fatores impedem, dificultam ou inviabilizam o uso exclusivo de receptores GPS (Global Positioning System) para a realização de medidas diretas das áreas queimadas em campo. As realizações de medidas de áreas incendiadas por meio de deslocamento aéreo normalmente apresentam resultados menos precisos, custos elevados e costumeiramente não se dispõe deste recurso.
Figura 2 – Queimada no Parque Nacional da Serra do Cipó. Observar relevo acidentado, limite de área incendiada, ilhas de vegetação não queimada e intensidades diferentes de queima.
Fotografia de Celso de Lago Paiva – Analista Ambiental, novembro de 2012. 4. Metodologia
No presente trabalho é abordado o uso de imagens satelitais para a quantificação de áreas incendiadas visando calcular a extensão dos danos. Para tal foram utilizados extratos de duas cenas do sensor Thematic Mapper (TM) do satélite Landsat-5 órbita/ponto 218/73. Este sensor possui uma resolução espacial nominal de 30 metros e capta informações espectrais em 7 bandas (três bandas no espectro visível, uma no infravermelho próximo, duas no infravermelho médio e uma no infravermelho distante), todas com resolução radiométrica de 8 bits. As cenas são das datas de 20 de outubro e 05 de novembro de 2011.
O cálculo das áreas incendiadas foi realizado a partir do uso dos índices multiespectrais IVDN (Índice de Vegetação por Diferença Normalizada) e IQN (Índice de Queimada Normalizada) e da classificação utilizando método da Máxima Verossimilhança Gaussiana (MAXVER). O processamento das imagens foi realizado utilizando o aplicativo ENVI 4.6 e composição dos leiautes foi realizada utilizando o software ArcGIS 9.3, todos
disponíveis no Setor Técnico Científico da Superintendência Regional da Polícia Federal em Minas Gerais.
Para minimizar os efeitos atmosféricos no sinal captado pelo sensor, utilizou-se
o método de correção atmosférica DOS (Dark Object Subtraction) por meio do software
ENVI 4.6. Neste modelo são excluídos, por exemplo, fatores externos como condições atmosféricas e visibilidade horizontal, e considera somente o espalhamento atmosférico na imagem. O método utiliza o histograma de freqüência de números digitais das bandas da imagem, buscando o nível digital mais baixo que indique a resposta espectral do alvo (Gürtler et al., 2005).
Parte da área em trabalho foi alvo de trabalhos periciais de campo. Na ocasião foi realizado o levantamento de diversos pontos de campo, por meio de receptor GPS, coletados nos limites da área incendiada.
5. Resultados
5.1 Determinação de áreas incendiadas utilizando IVDN
IVDN é o Índice de Vegetação por Diferença Normalizada obtido pela fórmula IVDN= (ρb4-ρb3)/( ρb4+ρb3), onde ρb4 é a refletância no pixel no infravermelho próximo e ρb3 é
a refletância no vermelho, com o valor do IVDN variando de -1,0 a +1,0 (TUCKER & SELLERS, 1986). Valores altos, ao redor de +0,5, indicariam vegetação verde cobrindo densamente o solo; valores baixos, por volta de +0,1, indicariam vegetação cobrindo esparsamente o solo, ou vegetação seca e valores em torno de zero ou negativos indicariam a ausência de vegetação, incluindo corpos d’água e solo nu (HOLBEN, 1986). O resultado obtido encontra-se mostrado na Figura 3. Verificou-se que o método identificou satisfatoriamente as áreas incendiadas, porém houve uma superestimação destas áreas em terrenos com solo exposto e uma subestimação em determinados locais. Verificou-se superestimação de área queimada nas áreas com sombras do relevo.
Figura 3 – Determinação de área incendiada utilizando o método IVDN.
Área superestimada
5.2 Determinação de áreas incendiadas utilizando o IQN
O mapeamento de áreas queimadas a partir do Índice de Queima Normalizada (IQN) foi desenvolvido por Koutsias e Karteris (1998). Este índice utiliza a banda 4 e a banda 7 TM do satélite Landsat 5, que apresentam o melhor contraste entre uma vegetação fotossinteticamente saudável e uma vegetação queimada. Verifica-se o aumento da refletância na banda 7 e a diminuição da refletância da banda 4 em situações de queimadas (CARDOSO, 2011). O IQN é obtido pela fórmula IQN= (ρb4-ρb7)/( ρb4+ρb7).
O resultado obtido encontra-se mostrado na Figura 4. Verificou-se que o método identificou áreas queimadas melhor que o IVDN, principalmente na questão da severidade da queima. Parte do dolo exposto continuou a ser classificado como área incendiada e houve inconsistências por superestimação em áreas com sombras de relevo e corpos d’água.
Figura 4 – Determinação de área incendiada utilizando o método IQN.
5.3 Determinação de áreas incendiadas utilizando a classificação MAXVER
Mather (2003) considera o processo de classificação de imagens como uma forma de reconhecimento de padrões, ou seja, a identificação do padrão associado com cada pixel numa imagem em relação às características dos objetos ou materiais presentes no ponto da superfície da Terra correspondente àquele pixel. O resultado do processamento de classificação é uma imagem temática ou mapa temático, onde os pixels classificados são representados por símbolos gráficos ou cores. Na classificação supervisionada, o usuário seleciona amostras representativas para cada uma das classes que se deseja identificar na imagem. Geralmente, assume-se que as classes podem ser descritas por uma função densidade de probabilidade e, portanto, descritas por seus parâmetros estatísticos. Estes parâmetros são estimados através do conjunto de amostras de treinamento, previamente selecionadas. A função densidade de probabilidade será, então, usada como um critério de decisão sobre a que classe um pixel pertence. Existem ainda outros métodos que particionam o espaço de atributos utilizando superfícies otimamente localizadas (RICHARDS e JIA, 2006).
Foi utilizado o visualizador N-dimensional do aplicativo ENVI para melhor separação das classes para classificação. Após a classificação, foram combinadas as classes referentes ao incêndio e desconsideradas as demais classes. O resultado obtido encontra-se
mostrado na Figura 5. Verifica-se uma boa adequação da área identificada pelo método com a mancha de incêndio presente na imagem, fornecendo um resultado mais adequado do que os métodos IVDN e IQN. Foi verificado ainda que áreas de sombra do relevo foram classificadas como área incendiada. As duas tonalidades de cores, na imagem classificada (Figura 5), mostram que o relevo influenciou nos valores espectrais presentes nas bandas da imagem do sensor TM/Landsat5.
Figura 5 – Determinação de área incendiada utilizando a classificação supervisionada pelo método MAXVER.
A Figura 6 exemplifica uma região incendiada identificada pelos 3 (três) métodos.
Figura 6 – Comparação dos métodos empregados. Erro devido a áreas
de sombra
Imagem composta R5G4B3
Classificação MAXVER Método IVDN
5.4 Identificação temporal de áreas incendiadas
Por vezes, uma grande área queimada pode ser fruto de mais de um incêndio, indicando a ocorrência de multifocalidade. A ocorrência de muitos focos em curto espaço de tempo é indicativo (não conclusivo) de incêndio intencional ou de causa antrópica. Neste diapasão, faz-se necessária a utilização de mais de uma imagem de satélite, de datas contemporâneas, para a mensuração de uma determinada área incendiada (Figura 7).
Figura 7 – Existência de incêndios anteriores em uma área incendiada.
6. CONCLUSÕES
O uso de índices multiespectrais e o método da classificação supervisionada MAXVER em imagens de satélite constituem-se numa importante fonte para identificação e mensuração de áreas queimadas. Os métodos foram capazes de identificar com boa precisão a existência de ilhas de vegetação no interior de áreas queimadas e permitiram com maior ou menos precisão delinear os limites de tais áreas. Tais capacidades se apresentam como boa alternativa frente à digitalização de forma manual.
Todos os métodos devem se acompanhados de trabalho de campo, tendo em vista a ocorrência de classificações estimadas para mais ou para menos. Isto não chega a ser um problema para a Perícia Criminal tendo em vista a necessidade da realização de trabalhos in loco para definição da dinâmica do incêndio com base nos indicadores de queima, o que permite aumentar a confiabilidade dos resultados obtidos.
Na área de trabalho em questão, o índice multiespectral IQN se mostrou melhor que IVDN pelo fato de apresentar maior contraste entre as áreas queimadas e não queimadas. A classificação MAXVER apresentou o melhor resultado de todos os métodos empregados.
Os três métodos aplicados superestimaram áreas incendiadas devido à existência de áreas de sombra do relevo na imagem. Há necessidade da realização da correção radiométrica das imagens para remoção das sombras topográficas e estudar os efeitos desta correção na estimativa das áreas incendiadas, o que fica como sugestão para trabalhos futuros.
Grande incêndio posterior
7. BIBLIOGRAFIA
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