VERIFICAÇÃO DA EVOLUÇÃO DO USO DO SOLO NO ENTORNO DO PARQUE ESTADUAL DO GUARTELÁ, USANDO A CLASSIFICAÇÃO HIERÁRQUICA DE IMAGENS DO SENSOR LANDSAT

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1 ISSN , p VERIFICAÇÃO DA EVOLUÇÃO DO USO DO SOLO NO ENTORNO DO PARQUE ESTADUAL DO GUARTELÁ, USANDO A CLASSIFICAÇÃO HIERÁRQUICA DE IMAGENS DO SENSOR LANDSAT VANEZA ANDREA LIMA DE FREITAS 1 JOÃO BATISTA RAMOS CÔRTES 2 JORGE ANTONIO SILVA CENTENO 3 Universidade Federal do Paraná - UFPR 1,2 Curso de Pós Graduação em Ciências Geodésicas 3 Departamento de Geomática, Curitiba - PR vanezalf@yahoo.com.br joão.b.cortes@gmail.com centeno@ufpr.br RESUMO - O objetivo deste trabalho é avaliar o potencial/viabilidade do uso de imagem de sensoriamento remoto para monitorar e, se possível, qualificar as alterações na cobertura do solo no Parque Estadual do Guartelá e no seu entorno. Para a realização deste estudo foram utilizadas duas imagens em épocas distintas dos sensores TM e ETM+, a bordo do satélite LandSat, datadas de 23/10/1986 e de 10/11/. As modificações ocorridas neste período de tempo foram detectadas pela comparação entre as imagens classificadas, observando-se um aumento da área de vegetação nativa. ABSTRACT - The aim of the present work was to study the feasibility and performance of the use of remote sensing to monitor and, if possible, characterize land cover changes in the State Park of Guartelá and the sorrounding region. For the this study, two Landsat images, obtained at different dates, were used. One is a TM image and the second an ETM+ image, dated on 23/10/1986 and 10/11/. Both images were classified and compared. The comparison of both images proves that strong land cover changes can be found at the study region and that the area covered by native vegetation increased. 1 INTRODUÇÃO A área de estudo é uma região de belas paisagens, com alto potencial turístico e grande diversidade de fauna e flora. Com o intuito de assegurar a preservação da biodiversidade e do patrimônio arqueológico e espeleológico da região do cânion formado pelo rio Iapó, o governo do Estado do Paraná criou em 1992 o Parque O Parque Estadual do Guartelá está situado no município de Tibagi, no cânion do rio Iapó possuindo área de 789,9ha. Seu relevo varia de 700 a 1000m de altitude e sua vegetação nas partes altas é típica de campo limpo, devido ao solo pobre e raso oriundo dos derivados de arenito. Este trabalho realizou a verificação das modificações antrópicas e naturais na região do cânion do Guartelá ocorridas após a implantação do parque. Esta análise englobou a área do parque e seus arredores. Com o intuito de facilitar a interpretação visual e quantitativa das modificações ocorridas nesse período, foram gerados vários mapas temáticos a partir da segmentação e classificação das imagens dos sensores TM e ETM+ nas épocas de referência (10/1986 e 11/). 2-METODOLOGIA As cenas utilizadas neste trabalho já estavam ortoretificadas e georeferênciadas. Após a verificação da qualidade planimétrica e posicional das duas cenas, realizou-se o recorte da área de interesse. Para assegurar que ambas as imagens tivessem exatamente o mesmo tamanho, tomou-se o cuidado de utilizar as mesmas coordenadas nos dois recortes. Com o objetivo de extrair automaticamente os objetos de interesse, foi realizada a segmentação e a classificação das imagens. Para tal, usou-se as bandas de 1 a 5 dos sensores TM e ETM+, a bordo dos satélites Landsat 5 e 7, de 10/1986 e 11/, respectivamente. De acordo com Baatz & Schape (2001) uma imagem pode ser segmentada várias vezes. Este procedimento, segundo Molenaar (1998) permite a construção de uma estrutura hierárquica. A determinação do parâmetro de escala adequado e os critérios de semelhanças (forma e resposta espectral) dependem do tema a ser extraído, da resolução espacial e espectral da imagem. Estes parâmetros

2 controlam o resultado da segmentação, criando objetos maiores ou menores, mais ou menos homogêneos, suavizados ou não. A classificação hierárquica permite a confecção de mapas temáticos e é realizada em uma estrutura de nível indo do genérico para o específico. A relação de dependência entre os níveis hierárquicos ocorre pelo conhecimento adquirido. Esta relação é regida por regras Boolenas, oriundas das estruturas descritivas e semânticas dos objetos. Assim, a classe do nível inferior só poderá existir se houver neste local a existência da superclasse a qual a mesma está subordinada (Darwish et al, 2003). Após alguns testes, verificou-se que, dois níveis de generalização seriam necessários para analisar a cobertura do solo na área de estudo. Os melhores parâmetros de escala e fator de forma para a segmentação da imagem nos dois níveis hierárquicos foram de 10 (dez) e 0 (zero), respectivamente. A inclusão de um terceiro nível hierárquico ou o aumento do fator de escala gerou objetos formados pela fusão da vegetação do tipo campo com solo exposto. Os mesmos parâmetros de segmentação foram aplicados às duas imagens. Durante o processo de segmentação, os objetos formados pelo rio Iapó em alguns locais estava sendo agrupado com a vegetação do tipo mata. Mesmo a alteração do fator de escala ou forma não foi suficiente para evitar esta fusão. Desse modo, parte da área ocupada pelo rio seria classificada como mata, podendo gerar um resultado diferente do real. Para corrigir este problema, foi necessário digitalizar as duas margens do rio Iapó. Este polígono foi inserido como um layer temático denominado hidrografia, antes da segmentação da imagem. A Figura 01 apresenta o esquema hierárquico utilizado neste trabalho. No nível 2 existem duas grandes superclasses: vegetação e não vegetação. Estas são subdividas no nível 01 em solo exposto, campo, mata nativa e reflorestamento. A classe hidrografia, previamente classificada, foi transferida de um nível para outro. Figura 1 - Classes e superclasses de cada nível hierárquico Enquanto a superclasse vegetação engloba as classes mata nativa e reflorestamento, a não vegetação compreende as classes solo exposto e campo. A vegetação típica de campo aberto é uma gramínea esparsa com pouca cobertura do solo e árvores de baixo porte ou arbustos. Portanto a resposta espectral da classe campo é muito próxima à resposta espectral do solo exposto. Por isso, não foi possível agrupar a classe campo à superclasse vegetação. Deve-se ressaltar que pela época da obtenção das imagens, o solo exposto poderia representar áreas preparadas para o plantio ou áreas com cultura anual em fase de germinação. A classificação hierárquica iniciou no nível 2 (o mais genérico) coletando-se amostras das superclasses vegetação e não vegetação. As funções razão entre banda, média, desvio padrão e brilho foram implementadas com o objetivo de verificar a separabilidade das amostras nas duas superclasses. Após a classificação do nível 2 e a checagem visual da sua precisão, procedeu-se a coleta de amostra das classes existentes no nível 1 e sua posterior classificação. A hierarquia existente entre o nível 2 e o nível 1 foi regida por regras Booleanas. Em ambos os níveis, a classificação dos segmentos foram executadas com base nos princípios da lógica Fuzzy. Para isso, funções de pertinência foram propostas para cada parâmetro e estas foram combinadas utilizando os operadores lógicos Fuzzy. Ao comparar as duas imagens classificadas, em vários locais, estava nítido as modificações ocorridas, porém visualmente não era possível quantificá-la. Com o objetivo de mensurar as modificações e as migrações entre as diferentes classes, foi implementada uma rotina no Matlab. Esta rotina comparou as duas imagens classificadas pixel a pixel sendo possível quantificar e identificar a alteração e migração de classes nesse intervalo de tempo. 3- RESULTADOS Para cada imagem classificada, foi gerado um mapa temático, apresentado nas Figuras 02 e 03. Com o intuito de melhorar a visualização das alterações ocorridas no interior do Parque Estadual do Guartelá, gerou-se dois mapas temáticos, tendo como limítrofe os limites do parque. Estes mapas estão apresentados nas Figuras 04 e 05. As áreas ocupadas por cada classe foram calculadas, tanto no entorno quanto dentro dos limites do Parque A área de cada classe esta representada nas Tabelas 01 e 02, para os anos de 1986 e respectivamente. Nestas tabelas a soma das linhas representa a área total da classe no ano de 1986 e a soma das colunas, o correspondente ao ano de. Os valores intermediários mostram a área, a classe de origem e a classe para a qual a mesma migrou neste período de tempo.

3 Figura 2: Mapa temático obtido pela classificação da imagem no ano de 1986 da região no entorno do Parque Figura 4: Mapa temático obtido pela classificação da imagem no ano de 1986 dentro do Parque Estadual do Guartelá. Figura 3: Mapa temático obtido pela classificação da imagem no ano de da região no entorno do Parque Figura 5: Mapa temático obtido pela classificação da imagem no ano de dentro do Parque Estadual do Guartelá.

4 Tabela 1: Área em hectare (ha) de cada classe temática no entorno do Parque Estadual do Guartelá, nos anos de 1986 e Classe Campo Solo Mata Rio Total Reflores exposto nativa Iapó 1986 Campo 6514, ,33 772,45 52,47 0, ,07 Solo exposto 2218, ,66 38,66 21,12 0, ,45 Mata nativa 331,24 24, ,78 0,00 0, ,46 Reflorest. 379,97 128,74 268,69 50,20 0,00 827,60 Rio Iapó 0,00 0,00 0,00 0,00 184,06 184,06 Total 9444, , ,58 123,79 184, ,63 Tabela 2 Área em hectare (ha) de cada classe temática dentro dos limites do Parque Estadual do Guartelá, nos anos de 1986 e 1986 Classe Campo Solo Mata Rio Total Reflores exposto nativa Iapó 1986 Campo 287,33 0,00 22,06 0,00 0,00 309,39 Solo exposto 215,86 0,00 32,91 0,00 0,00 248,77 Mata nativa 22,06 0,00 150,56 0,00 0,00 172,62 Reflorest. 8,56 0,00 12,17 0,00 0,00 20,73 Rio Iapó 0,00 0,00 0,00 0,00 38,39 38,39 Total 533,81 0,00 217,70 0,00 38,39 789,90 Em termos percentuais, as maiores alterações ocorreram no interior do Parque Guartelá. Antes da criação do parque, 34,1% de sua área era ocupada por cultura anual e reflorestamento. Qualquer tipo de vegetação diferente da vegetação nativa em áreas de preservação ambiental são consideradas plantas invasoras e, portanto foram eliminadas. No interior do parque observou-se que a área ocupada por campo quase duplicou de 1986 para, saindo de 309,4 ha para 533,8 ha, ou seja, um acréscimo de 72,5%. Já a área ocupada por mata, teve um aumento de 26,1% passando em 1986 de 172,6 ha para 217,7 ha em. O quantitativo das modificações ocorridas, bem como o seu valor percentual, podem ser observadas nas Tabela 3. Tabela 3: Variação das áreas em hectare (ha) e seu valor percentual, no período analisado, no interior do Parque O entorno do parque seguiu a mesma tendência ou seja, redução do reflorestamento e cultura anual com o aumento da vegetação nativa (mata e campo). O quantitativo das modificações ocorridas bem como o seu valor percentual podem ser observadas na Tabela 4. Tabela 4: Variação das áreas em hectare (ha) e seu valor percentual, no período analisado, na área de estudo. Classes 1986 Diferença % Campo 8717, ,03 726,96 8,34 Solo exposto 4371, ,18-747,27-17,09 Mata nativa 3401, ,58 724,12 21,29 Reflorestamento 827,60 123,79-703,81-85,04 Rio Iapó 184,06 184,06 0,00 0,00 Com base nos dados da tabela 4, observa-se que a área ocupada por reflorestamento no entorno do parque sofreu uma drástica redução, passando de 827,6 ha em 1986 para 123,8 ha em. Isso representa uma redução de 85,0% da área ocupada. A área ocupada por cultura anual apresentou uma pequena redução, saindo de 4371,5 ha em 1986 para 3624,2 ha em, com decréscimo de 17,1% da área ocupada. Houve acréscimo de 21,3% na área de mata nativa que passou de 3401,5 ha em 1986 para 4125,6 ha em. O mesmo se observou com a área de campo, que passou de 8717,1 ha em 1986 para 9444,0 ha em um acréscimo de 8,3%. Esta variação pode ser explicada, em parte, pela implantação de duas Reservas Particulares do Patrimônio Natural (RPPN) vizinhas ao Parque Estadual do Guartelá, situadas na margem direita do Rio Iapó. Segundo o site estas reservas são a Ita-Y-Tyba e a Fazenda Mocambo. Do lado esquerdo do Rio Iapó houve um aumento da área de cultura anual e substituição de grande parte do reflorestamento por campo. Visualmente, pode-se observar que na margem esquerda do rio Iapó houve um aumento na área de cultura anual e substituição de grande parte do reflorestamento por campo. 4- CONCLUSÃO Classe 1986 Diferença % Campo 309,39 533,81 224,42 72,54 Solo exposto 248,77 0,00-248,77-100,00 Mata nativa 172,62 217,70 45,08 26,12 Reflorestamento 20,73 0,00-20,73-100,00 Rio Iapó 38,39 38,39 0,00 0,00 Pode-se concluir que com as imagens do sensor TM e ETM+ é possível verificar a evolução do uso do solo na região de estudo. Os parâmetros de segmentação e forma adotados foram compatíveis com a resolução espacial e espectral da imagem, sendo capazes de separar as classes escolhidas. A classificação hierárquica mostrou-se eficiente, robusta e de fácil aplicação além de minimizar o trabalho de classificação.

5 Como era esperado as áreas ocupadas por reflorestamento e solo exposto dentro do Parque Estadual do Guartelá, foram substituídas por vegetação nativa ou Mata ou Campo. REFERÊNCIAS BAATZ, M, & SHAPE, A. Multiresolution segmentation an optimization approach for high quality multiscale image segmentation. München. Disponível em acessadoem outubro de MOLENAAR, M. & CHENG, T. Fuzzy spatial objects and their dynamics. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing vol. 55, n 03 (32ref). pp DARWISH, A.; K., LEUKERT & W. REINHARDT Image segmentation for the Purpose of Object Based Classification. Neubiberg. Geoscience and Remote Sensing Symposium. Disponível em acessado em março de acessado em março de 2007.