Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE

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1 Processamento Digital de Imagens LANDSAT como auxílio à classificação e análise da evolução da mancha urbana de Juiz de Fora-MG entre os anos de 1990 e Alan Bronny Almeida Pires de Moura¹ Waltencir Menon Júnior¹ Rosana Lino de Faria¹ Ricardo Tavares Zaidan¹ ¹LGA - DGEO/ICH Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF José Lourenço Kelmer, s/n. Bairro São Pedro Juiz de Fora - MG, Brasil {alan.bronny, waltencirjunior}@hotmail.com rosanafariaf@yahoo.com.br ricardo.zaidan@ufjf.edu.br Abstract. From the 90s the city of Juiz de Fora, located southeast of the state of Minas Gerais has undergone a revival of its economy and since then has been highlighted as a major investment receptor, attracting a larger population to region. As a result the city has been undergoing a series of transformations spatial which result in a restructuring of the urban area of the city. In this sense this study aimed to characterize the evolution of the urban municipality of Juiz de Fora between the years 1990 and 2011, through the digital image processing of Landsat - 5 using remote sensing techniques in conjunction with the GIS (Geographic Information Systems). The maps of the urban sprawl of the city were generated by supervised classification using the technique of Maximum Likelihood (MAXVER) from the Landsat 5 satellite images, using both to the image processing software ENVI. The classification results showed that there was a very significant increase in the urban area of the city in all directions, setting an overall increase of 23,341 km ² representing a growth rate of 74.1% compared to From a partial analysis of comparative data obtained with the map Administrative Regions of the urban area, it was found that the fastest growing region in the last 21 years was the West Region. Palavras-chave: geoprocessing; image processing; land use; geoprocessamento; processamento de Imagens; uso da terra. 1. Introdução A partir da década de 90, Juiz de Fora passou por uma reativação de sua economia e uma intensificação dos esforços por parte do poder público local visando atrair novos empreendimentos industriais para o município (OLIVEIRA, 2006). Desde então a cidade vem se destacando como um grande pólo receptor de investimentos, aumentando às ofertas de empregos e possibilitando melhores condições de vida para seus habitantes, o que por consequência tem atraído um maior contingente populacional, oriundos da Zona da Mata Mineira e proximidades. Devido ao acelerado aumento populacional observa-se que nessas últimas décadas a cidade vem passando por uma série de transformações espaciais que configuram um papel central no processo de reestruturação da mancha urbana do município. Tal processo de transformação espacial somado ao planejamento urbano inadequado muitas vezes leva a um sério problema que ocorre na maioria das cidades brasileiras e principalmente nas de porte médio: a expansão urbana desordenada. Sabe-se que o ser humano em suas necessidades busca encontrar sempre um lugar para se desenvolver. Dessa forma, o espaço físico ocupado pelo homem cresce constantemente fazendo com que haja a necessidade de se estabelecer meios e técnicas que possibilitem o monitoramento e o mapeamento dessas áreas para um melhor ordenamento espacial. Dentre tais técnicas destacam-se então as técnicas de sensoriamento remoto em conjunto com os Sistemas de Informações Geográficas (SIG s) que atualmente se apresentam como ferramentas indispensáveis em estudos aplicados ao mapeamento e monitoramento dos 7920

2 diferentes tipos de uso e ocupação do espaço físico territorial, permitindo obter informações sobre objetos sem ter a necessidade de um contato físico direto com eles. Dessa forma o presente trabalho teve como objetivo caracterizar a evolução da mancha urbana do município de Juiz de Fora entre os anos de 1990 e 2011, através do processamento digital de imagens de satélite Landsat 5. Para tanto foram utilizandas técnicas de sensoriamento remoto em conjunto com os SIGs (Sistemas de Informação Geográfica) destacando dessa forma a importância do Geoprocessamento com ênfase em Sensoriamento Remoto no estudo do planejamento urbano. Esse estudo integra dos um dos projetos desenvolvidos no Laboratório de Geoprocessamento Aplicado da Universidade Federal de Juiz de Fora (LGA/UFJF). 2. Área de Estudo O município de Juiz de Fora, localiza-se na mesorregião da Zona da Mata Mineira a Sudeste do Estado de Minas Gerais (Figura 1), possui uma área total aproximada de 1.429,875 km² e sua população é de aproximadamente habitantes segundo dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE, 2010). Economicamente a região se localiza em uma posição geográfica privilegiada, uma vez que se encontra no eixo econômico Belo Horizonte - Rio de Janeiro - São Paulo, o que também contribuiu significativamente para o desenvolvimento da região. O relevo onde se encontra a cidade é bastante dissecado apresentando variações de altitudes significativas que formam os mares de morros constituídos por ondulações côncavo-convexas. Essas feições geomorfológicas tiveram grande contribuição na forma com que a malha urbana da cidade se expandiu. Inicialmente a ocupação da cidade ocorreu de forma linear no vale do rio Paraibuna, pois nessa área a topografia viabilizou a criação de uma via principal, a partir daí os vales secundários e as encostas foram então sendo ocupados. 7921

3 O município possui seu território dividido em área urbana e área rural. Fazem parte da área urbana os lugares sobre os quais a cidade se expandiu e os outros representam direções em que a cidade pode crescer. Na área rural do município, encontram-se pequenas e médias propriedades em que se se observa o predomínio de pecuária leiteira e uma agricultura de subsistência e hortifruticultura. 3. Materiais e Métodos Para a realização dos procedimentos de georreferenciamento, tratamento, recorte da área de estudo e classificação das imagens foi utilizado o software ENVI (Environment for Visualizing Image) que possui todo um aparato de ferramentas profissionais para análise e processamento de imagens geoespaciais o que permitiu extrair as informações necessárias das imagens para o objetivo proposto. Quanto aos dados foram utilizadas imagens digitais do satélite LANDSAT-5 sensor TM (Thematic Mapper), referentes à cena com datas de 29/04/1990 e 13/08/2011, e disponibilizadas através do catalogo digital do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), além de dados cartográficos do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE). Toda a base de dados foi georreferenciada por meio de pontos de controle referentes à drenagem do Rio Paraibuna e padronizada em elipsoide de referência WGS-84 com projeção cartográfica UTM (Projeção Universal Transversa de Mercator). A técnica de classificação de imagens consiste em métodos para extrair informações de uma determinada área de interesse a partir do reconhecimento de padrões e elementos homogêneos presentes em uma imagem cuja a finalidade é o mapeamento de áreas da superfície terrestre. Para a classificação e extração da região de interesse referente à mancha urbana da cidade usou-se a técnica de classificação digital supervisionada por Máxima Verossimilhança (MAXVER), que consiste no método mais empregado em sensoriamento remoto. Na classificação supervisionada por Máxima Verossimilhança, basicamente se extrai uma certa quantidade de amostras de treinamento (pixels) para cada região de interesse desejada. A partir disso, o classificador, baseando-se no valor radiométrico do pixel e utilizando regras estatísticas pré-estabelecidas, identifica e classifica toda a área em análise para as classes de interesse (MARTINS et al., 2011). O resultado obtido por meio desse classificador, em geral, possui uma aparência ruidosa, uma vez que o contexto espacial não é considerado (CORREIA, 2007). Levando em consideração o interesse do presente estudo que é a mancha urbana da cidade optou-se estabelecer apenas duas classes: urbano (mancha urbana) e não-urbano (todo o resto: vegetação, corpos hídricos, solo exposto e pastagem). 4. Resultados e Discussão A seguir na figura 2 são mostradas as imagens obtidas pelo sensor TM do satélite Landsat 5, devidamente tratada e recortada, que retratam a mancha urbana de Juiz de Fora dentro do limite urbano legal do município em dois momentos distintos, com um intervalo de 21 anos (nos anos de 1990 e 2011). Para a composição da imagem foram utilizadas as bandas R5, G4, B3 que registra informações na faixa espectral infravermelho médio, infravermelho próximo e visível, respectivamente, ideal para extração de informações referentes ao uso e ocupação da terra. 7922

4 A partir de uma análise e interpretação visual por meio de técnicas de fotointerpretação foi possível perceber que nas imagens, a cor preta indica a presença de água e sombra, as manchas brancas indicam solo exposto e as cores rosa e bege indicam vegetação rasteira geralmente se configurando em pastos. O verde configura a vegetação sendo que quanto mais intensa a tonalidade mais densa será a cobertura vegetal. Por fim, a cor roxa representa a classe de interesse desse estudo, a mancha urbana. Em geral, quanto mais escuro for o tom mais adensada será a ocupação do lugar. Após realizar o processo de classificação das imagens Landsat 5, foi possível observar de forma mais clara a evolução da mancha urbana do município (figura 3) e realizar uma análise comparativa referente aos anos de 1990 e 2011 através dos dados quantitativos que serão observados na tabela

5 Após a escolha das datas das imagens Landsat procurou-se trabalhar com os dados do Censo do IBGE mais próximos. De acordo com os dados referentes ao censo de 1991, a população de Juiz de Fora era de aproximadamente habitantes, enquanto que em 2010 a população da cidade se encontrava em torno de habitantes. Ou seja, houve um acréscimo de habitantes, que configura um incremento aproximado de 33.7% nesses 19 anos entre os censos, ou uma média de crescimento de 6,8 mil habitantes por ano. Com esse incremento populacional fica claro a expansão da cidade. De acordo com Fuckner (2005) é necessário destacar que o crescimento urbano pode ocorrer tanto de forma compacta (dense-onion) quanto dispersa (leapfrog). O dense-onion ou compactação manifesta-se predominantemente no centro urbano, através do aumento do parcelamento do solo e da verticalização das residências que se configuram nos prédios. Diferentemente, o padrão de crescimento leapfrog ou disperso é observado, sobretudo na expansão das periferias, e é principalmente esse crescimento que fica visível para nós através do sensoriamento remoto. Assim analisando os dados extraídos da classificação a partir das imagens de satélite, foi constatado que a mancha urbana de Juiz de Fora cresceu consideravelmente em 21 anos, conforme apresentado na tabela 1: Inicialmente, podemos observar que a mancha urbana de Juiz de Fora em 2011 ocupa apenas 54,837 km² aproximadamente, ou seja, pouco mais de 13% da área urbana legal, o que deixa desocupado quase 87% do espaço legalmente considerado urbano. O perímetro urbano da cidade foi delimitado por meio da Lei 6910 de 31 de maio de 1986 que dispõe sobre o ordenamento do uso e ocupação do solo no município de Juiz de Fora. De acordo com o plano diretor da cidade este perímetro é considerado grande em relação à área efetivamente urbanizada. Mas, optou-se por manter esse limite por considerar que, apesar do baixo índice de urbanização na maior parte de sua área, a ocupação poderá ser melhor controlada estando dentro do âmbito deste plano. Foi observado que ao se trabalhar a mancha urbana através da classificação supervisionada, o valor obtido não representa a mancha urbana como um todo, já que o classificador considerou como urbano apenas as construções físicas antrópicas como, por exemplo, ruas, prédios e casas. Já nos locais como praças, parques e terrenos que estejam na mancha urbana e apresentem feições naturais como vegetação ou corpos hídricos, não foram considerados devido às diferenças das respostas espectrais de cada classe. No entanto, sendo a ocupação residencial, industrial e comercial os principais definidores na estrutura da mancha urbana de uma cidade, a utilização dessa técnica se valida. Através dos dados de 1990 e de 2011 foi possível observar que houve um aumento significativo na mancha urbana da cidade em todas as direções, configurando um total de km² que representa uma taxa de crescimento de 74,1%. Com a finalidade de pontuar os locais onde o crescimento urbano foi mais intenso e destacar algumas das características dessas áreas, adotou-se em conjunto com os mapas de classificação da mancha urbana, o 7924

6 mapa das regiões administrativas (norte, oeste, sul, leste, sudeste, centro e nordeste) que compõe a área urbana da cidade (figura 4). Dessa forma percebeu-se que a Região Norte ocupa a maior parte da área urbana da cidade e é em contrapartida a região que apresenta a menor taxa de mancha urbana em relação a sua área. A explicação para isso se deve em parte pela presença da represa Dr. João Penido que ocupa boa parte da região e está sujeita as leis de proteção de mananciais, de forma que, não há incentivos para a ocupação da área nem de seus limites, sendo considerada irregular qualquer ocupação dentro da área preservada. Apesar disso, nessa região houve um crescimento muito significativo nesses 21 anos, destacando principalmente o bairro Benfica, cuja ocupação se iniciou concomitantemente ao centro da cidade e tem passado por um processo de expansão bastante intenso nos últimos anos. Outros bairros também se destacam nas manchas acrescidas na parte noroeste do mapa de 2011 sendo: Santa Cruz, Nova Era, Jardim Natal e Francisco Bernardino. Na região nordeste do mapa a principal mancha urbana que evoluiu é referente ao bairro Grama que teve como eixo estruturador a rodovia MG-353 ligando o bairro ao centro e integrando-o à malha urbana. Outro destaque no crescimento da mancha urbana pode ser observado na região dos bairros Parque Independência e bairro Filgueiras que praticamente inexistia no ano de A principal diferença da mancha urbana na Zona Leste da cidade foi o crescimento do bairro Linhares, que em 1990 ocupava apenas as áreas planas (pequena mancha isolada do centro) que com o passar do tempo foi se adensando, fazendo com que as encostas íngremes fossem também ocupadas, o mesmo ocorreu com o bairro Santa Rita. O Centro é a região em que menos se observou mudanças. Nesta região o crescimento se dá principalmente de forma compacta (dense-onion), através do aumento do parcelamento do solo (lotes) e da verticalização das residências que se configuram nos prédios, sendo que esse ultimo não fica visível através das imagens de satélite. A Região Administrativa Oeste em que se encontra a Cidade Alta ou Bairro São Pedro é a área que apresentou maior crescimento urbano. Através da figura 4 percebe-se que no ano de 1990 a área ainda apresentava um índice de ocupação urbano muito baixo. Mas é importante destacar que ainda nas décadas de 60 e 70 houve um importante marco na intensificação do processo de ocupação urbana de toda essa região, e é a partir desse momento que começa a ocorrer um acréscimo demográfico marcado por uma série de intervenções na estrutura urbana da cidade que passa então a estimular ainda mais a ocupação dessa área: houve a 7925

7 construção da Avenida Independência fazendo a ligação da região da Cidade Alta com o Centro, além da implantação da Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF, o aeroporto, o estádio municipal e a rodovia BR-040. De acordo com o plano diretor da cidade a Região Oeste apresenta-se, como área de expansão urbana por sua posição geográfica estratégica, aliada à presença de áreas de grande beleza natural. Há décadas a região vem sendo apontada como de grande potencial para o crescimento da cidade. No final da década de 70, a Prefeitura realizou o Plano Diretor da Cidade Alta no intuito de incentivar a expansão urbana para aquela região. As Manchas Urbanas da Região Sul são formadas principalmente pelos bairros Santa Efigênia, Teixeiras e Bela Aurora que caracterizam-se por uma ocupação mais antiga e mais adensada. O Bairro Cascatinha também tem um crescimento bastante interessante e hoje possui uma ocupação praticamente consolidada com residências de alto padrão e baixo volume. A ocupação da região vai diminuindo à medida que se avança para os limites municipais do sul, até apresentar faixas de vazios urbanos. Por fim se destaca na Região Sudeste o crescimento da mancha urbana referente principalmente ao Bairro Nossa Senhora de Lourdes e Barão do Retiro. Nessa região foi observado um baixo volume de mancha urbana e um crescimento também baixo se comparado com outras regiões. 5. Considerações Finais Conclui-se que o uso de técnicas de sensoriamento remoto em conjunto com os Sistemas de Informações Geográficas (SIGs) se demonstraram eficazes, uma vez que, foi possível identificar a evolução da mancha urbana do município de Juiz de Fora, comparando os resultados da classificação supervisionada de imagem de satélite para dois períodos distintos: 1990 e Constatou-se que as regiões que tiveram crescimento urbano mais intenso foram as Norte e Oeste, sendo que essa última recebeu e ainda hoje recebe incentivos para sua ocupação resultando no grande aumento de sua mancha urbana. As regiões que menos se observaram mudanças na mancha urbana foram a Sudeste e Centro, sendo que no Centro o crescimento ocorreu principalmente de forma vertical (prédios). 6. Agradecimentos Agradecemos ao Departamento de Geociências da Universidade Federal de Juiz de Fora, à PROPESQ/UFJF e ao CNPq pela concessão de bolsas de IC e de mestrado, que auxiliaram na execução deste projeto. 7. Referências Bibliográficas CENTENO, J. A. S. Sensoriamento remoto e processamento de imagens digitais. Curitiba: Curso de Pós Graduação em Ciências Geodésicas, CORREIA, V. R. M.; MONTEIRO, A. M. V.; CARVALHO, M. S.; WERNECK, G. L. Uma aplicação do sensoriamento remoto para a investigação de endemias urbanas. Cad. Saúde Pública, Rio de Janeiro, v. 23, n. 5, p. 1018, 2007 CROSTA, Alvaro P. Processamento Digital de Imagens de Sensoriamento Remoto. Campinas, SP.: IG/UNICAMP, 1992 FUCKNER, M. A. Aplicações do sensoriamento remoto no estudo do crescimento urbano. INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, SP Disponível em < Acesso em: 13.set

8 IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística). Disponível em: < Acesso em: 08 set INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) Imagens do Satélite Landsat 5, cenas: do dia 29/04/1990 e 13/08/2011; Disponível em: < Acesso em: 16.mar MARTINS, F. C. M.; PINTO, F. A. C.; SANTOS, N. T.; FERNANDES FILHO, E. I.; ALCÂNTARA, G. R.; RISSO, L. F. C. Identificação de regiões compactadas na cultura do feijoeiro utilizando plataforma suborbital de baixo custo e classificação supervisionada. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, 15. (SBSR), 2011, Curitiba. Anais... São José dos Campos: INPE, p OLIVEIRA, M. M. Plano Estratégico e diretor de Juiz de Fora: modelos contraditórios ou complementares?. Dissertação (Mestrado em Planejamento Urbano e Regional). Universidade Federal do Rio de Janeiro: Rio de Janeiro: PREFEITURA MUNICIPAL DE JUIZ DE FORA. Lei n.9811/00. Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano. IPPLAN/JF, Disponível em: < Acesso em: 29.set