ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina

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1 ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina GEOPROCESSAMENTO APLICADO AO DIAGNÓSTICO E MONITORAMENTO AMBIENTAL Édson Luis Bolfe Daniella Rocha Edílson de Jesus Santos Lurimar Smera Batista João Sampaio D`Avila Cesar Bündchen Zácaro Rodrigo Gallotti Oliveira Lima Jessé Cláudio de Lima PRÓXIMA Realização: ICTR Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável NISAM - USP Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP

2 GEOPROCESSAMENTO APLICADO AO DIAGNÓSTICO E MONITORAMENTO AMBIENTAL 1 Édson Luis Bolfe 2 ; Daniella Rocha 3 ; Edílson de Jesus Santos 3 ; Lurimar Smera Batista 3 ; João Sampaio D`Avila 3 ; Cesar Bündchen Zácaro 4 ; Rodrigo Gallotti Oliveira Lima 4 ; Jessé Cláudio de Lima 5 RESUMO O presente trabalho objetiva apresentar as ações de pesquisa realizadas através de técnicas de geoprocessamento na bacia hidrográfica do rio Sergipe, visando diagnosticar impactos causados por ações antrópicas nos últimos anos. Essa bacia hidrográfica possui papel relevante para o estado de Sergipe, sendo constituída por 26 municípios e abrangendo uma população de aproximadamente habitantes. Realizou-se pesquisas das imagens de satélites da série Landsat 5 TM e 7 ETM+ dos últimos anos. Em etapa posterior, através da utilização de um sistema de informações geográficas (SIG), foi realizada a classificação digital supervisionada do uso da terra da bacia, localizando-se e quantificando os temas: remanescentes florestais, mata ciliar, mangue, campo de restinga, agricultura, pastagem, brejo ou inundações, dunas, areal, rios, lagoas, urbanização, indústrias, nuvens e sombra. Adicionalmente, foi levantada a base cartográfica da área a partir das cartas topográficas do IBGE, na escala 1: , onde obteve-se informações inerentes à: divisão municipal, rede de drenagem, altimetria e rede viária. Como última etapa, realizou-se o cruzamento geoespacial dos mapas temáticos de uso do solo dos diferente anos, obtendo assim, o estudo da ocupação territorial e das ações antrópicas desenvolvidas na região de estudo. As informações permitiram analisar dados referentes à abrangência e dinâmica dos temas de uso do solo da bacia hidrográfica do rio Sergipe nos últimos anos, fornecendo dados relevantes para ações de monitoramento ambiental e o desenvolvimento sustentável dessa importante bacia hidrográfica do nordeste do Brasil. Palavras-chave: sensoriamento remoto, uso da terra, mapeamento. 1 Projeto aprovado junto a FAP-SE 2 Professor da Universidade Tiradentes - UNIT e Pesquisador da Embrapa Tabuleiros Costeiros 3 Professor da Universidade Tiradentes - UNIT 4 Estagiários, alunos de graduação da Universidade Tiradentes 5 Técnico da Secretária de Recursos Hídricos do Estado de Sergipe - SRH/SEPLANTEC 1218

3 Introdução O presente trabalho objetiva apresentar as ações de pesquisas na área de geoprocessamento realizadas na bacia hidrográfica do rio Sergipe, visando diagnosticar impactos causados por ações antrópicas nos últimos anos, dentre os quais destaca-se a grande deficiência de sistemas de coleta e tratamento de esgotos sanitários, o antigo e ineficiente sistema de tratamento de efluentes industriais e em especial as condições do uso da terra que alteram e prejudicam o ambiente estuarino do entorno dessa bacia. Essa bacia hidrográfica percorre áreas densamente povoadas, particularmente, a cidade de Aracaju, sendo constituída ainda por 26 municípios e abrangendo uma população de aproximadamente habitantes. Tradicionalmente, o levantamento e a qualificação dos fatores de uso da terra não são efetivos, pois demanda elevado fluxo de informações, as quais encontram-se dificuldade em alocar, detalhar, organizar, interpretar, e principalmente armazenar de forma que garantam um confiável banco de dados espaço-temporal. Segundo Assad & Sano (1998, p. 32) 1, [...] banco de dados é um conjunto de arquivos estruturados de forma a facilitar o acesso a conjuntos de informações que descrevem determinadas entidades do mundo. Torna-se possível sistematizar tais informações através da utilização de técnicas de geoprocessamento e sensoriamento remoto, conforme Teixeira et al. (1997, p. 63) 2, [...] geoprocessamento é a tecnologia que abrange o conjunto de procedimentos de entrada, manipulação, armazenamento e análise de dados espacialmente referenciados. O geoprocessamento é um conjunto de procedimentos computacionais, que operando sobre bases de dados geocodificados, executam análises, reformulações e síntese sobre os dados ambientais tornando-os utilizáveis em um sistema de processamento automático integrado à banco de dados. (SILVA et al.,1998, p. 81) 3. Asrar (1989, p. 23) 4, conceitua o sensoriamento remoto como: a aquisição de informações e/ou estado de um alvo por um sensor, sem estar em contato físico com ele. O sensoriamento remoto é a tecnologia da utilização conjunta de sensores, equipamentos de processamento e transmissão de dados, aeronaves, espaçonaves, com o objetivo de estudar o ambiente terrestre através de registro e análise das interações eletromagnéticas com as substâncias componentes do planeta Terra, em suas mais diferentes manifestações. (NOVO, 1992, p. 37) 5. A partir dos dados obtidos pelo sensoriamento remoto, torna-se necessário distinguir e identificar as informações existentes sobre a superfície. Esse procedimento é efetuado através do método de classificação digital, que segundo Dutra et al. (1992 apud PEREIRA, 1995, p. 79) 6, [...] é constituído basicamente por um alvo, um sistema sensor ou receptor, um sistema e/ou seletor de canais e um algoritmo classificado. Nesse contexto, definiu-se trabalhar com a classificação digital supervisionada pelo método de máxima verossimilhança, onde o algoritmo de classificação consiste num princípio estatístico paramétrico, considerando as classes envolvidas uma função densidade de probabilidade gaussiana. Essas informações permitem planejar e executar ações de cunho técnico, tendo como suporte dados do uso da terra na bacia hidrográfica ao longo dos anos, obtidos através da utilização dos Sistemas de Informações Geográficas (SIG). 1219

4 Material e métodos Os SIGs são aplicativos constituídos de cinco módulos, onde cada módulo é um subsistema que permite as operações de entrada e verificação de dados, armazenamento e gerenciamento de banco de dados, apresentação e saída de dados, transformação de dados e interação com o usuário. (BURROUGH, 1989, p. 136) 7. Os materiais utilizados constam de: a)materiais cartográficos como as imagens TM - Thematic Mapper / Satélite Landsat 5 (1998, 2000 e 2004) e ETM+ - Enhanced Thematic Mapper / Satélite Landsat 7 (2001); cartas topográficas do IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística) / escala 1: ; b)materiais para o processamento e análise (microcomputadores, mesa digitalizadora, sistema de informações geográficas - Idrisi for Windows) e c)materiais de campo (veículo e GPS - sistema de posicionamento global). A metodologia empregada para a consecução das atividades propostas foi dividida em: (1)processamento digital, (2)georreferenciamento das imagens; (3)reambulação temática; (4)classificação digital do uso da terra; (5)quantificação do uso da terra; (6)levantamento das bases de dados; (7)cruzamento geoespacial das bases temáticas e (8)elaboração de mapas temáticos. Para o desenvolvimento da primeira etapa, foi efetuada uma pesquisa junto ao INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), buscando informações referentes às imagens de satélites da série Landsat 5 TM e 7 ETM+ dos últimos anos. Posteriormente processou-se digitalmente três bandas espectrais das imagens obtidas dos sensores TM e ETM+, banda 3 (0,63-0,69 μm), banda 4 (0,76-0,90 μm) e banda 5 (1,55-1,75 μm) de intervalo espectral. Após, elaborou-se uma coleção de composições coloridas, associando-se as 3 bandas espectrais das imagens a cada uma das três cores primárias: azul, verde e vermelho, buscando assim, a melhor identificação dos diferentes temas de uso da terra. Na etapa de georreferenciamento das imagens de satélite, o objetivo foi referenciálas geograficamente ao terreno por meio de sua localização espacial, utilizando-se para tal o sistema de coordenadas UTM (Universal Transversa de Mercator), assim foi necessário alocar pontos de controle nas cartas topográficas e através de GPS in loco. O valor do número de linhas e colunas da imagem a ser gerada foi calculado a partir da razão entre as coordenadas de máxima e mínima pela resolução da imagem (30 m). Na correção geométrica utilizou-se o polinômio cúbico. A precisão desse processo foi avaliada com base no erro médio quadrático (EMQ) e o resíduo de erro individual de cada ponto de controle. De fundamental importância, tivemos a etapa de reambulação temática, no qual fez-se necessário confirmação à campo dos padrões de resposta espectral da imagem. Foi realizado uma busca e coleta destas informações utilizando-se a composição colorida, a carta topográfica e o GPS, este utilizado principalmente na confirmação das coordenadas do local amostrado com padrão específico e na orientação e auxílio à sua localização. Na etapa de classificação temática de uso da terra, definiu-se aplicar a classificação digital supervisionada pelo método de máxima verossimilhança, conforme Dutra et al., (1992 apud PEREIRA, 1995, p. 79) 6, obtida em função do conhecimento prévio de padrões espectrais das áreas amostrais. Isso permitiu a seleção de áreas de treinamento confiáveis, definindo-se que o algoritmo classificador operasse com base na distribuição de probabilidade de cada classe, realizada em função dos temas de interesse: remanescentes florestais, mata ciliar, mangue, campo de 1220

5 restinga, agricultura, pastagem, brejo ou inundações, dunas, areal, rios, lagoas, urbanização, indústrias, nuvens e sombra. A quantificação do uso da terra constituiu em determinar as áreas das diferentes classes obtidas através da função de cálculo de áreas, sendo este, efetuado a partir da contagem do número de pixels classificados em cada um dos temas (classes de uso da terra), considerando a resolução espacial de 30 metros. A etapa de levantamento das bases de dados foi necessária para processar as informações provenientes da divisão municipal, rede de drenagem, altimetria e rede viária, além do uso da terra já realizado, de forma a compor o banco de dados com informações que descrevem qualitativamente a distribuição espacial dessas bases. As informações foram obtidas pelo processo de digitalização da carta topográfica em mesa digitalizadora, com posterior conversão desses arquivos para o formato raster e o cálculo de sua abrangência. Como última etapa, realizou-se o cruzamento geoespacial dos mapas temáticos de uso do solo dos diferentes anos, obtidos a partir do estabelecimento de um arquivo de regras no SIG utilizado. Distintas operações do tipo booleanas foram efetuadas utilizando-se operadores lógicos, que permitiram obter o estudo temporal da ocupação territorial e das ações antrópicas desenvolvidas na região de estudo. Resultados O primeiro cruzamento geoespacial, após a obtenção dos limites municipais do estado de Sergipe, resultou na obtenção da relação de municípios dentro da Bacia Hidrográfica do Rio Sergipe, conforme figura 1: Aracaju, Areia Branca, Barra dos Coqueiros, Carira, Divina Pastora, Feira Nova, Frei Paulo, Graccho Cardoso, Itabaiana, Itaporanga d'ájuda, Laranjeiras, Malhador, Maruim, Moita Bonita, Monte Alegre, Nossa Senhora Aparecida, Nossa Senhora das Dores, Nossa Senhora da Glória, Nossa Senhora do Socorro, Riachuelo, Ribeirópolis, São Miguel do Aleixo, São Cristóvão, Santa Rosa de Lima, Santo Amaro das Brotas e Siriri. Figura 1 Limites municipais inclusos na bacia hidrográfica do Rio Sergipe. 1221

6 Como resultado da pesquisa junto ao INPE, obteve-se as quatro últimas imagens da série Landsat com condições de processamento, pois a região apresenta freqüente cobertura de nuvens. As datas obtidas para o sensor TM foram 1998, 2000 e 2004; e para o sensor ETM Após essa pesquisa, processou-se digitalmente as diferentes bandas espectrais, onde elaborou-se as composições coloridas. As composições foram georreferenciadas pelo sistema de coordenadas UTM e submetidas ao cruzamento geoespacial com o limite da bacia hidrográfica do Rio Sergipe, obtendo-se como resultado uma coleção de composições temporais da área da bacia, conforme demonstrado nas figuras 2, 3, 4 e 5. Figura 2 Imagem TM (1998). 1222

7 Figura 3 Imagem TM (2000). Figura 4 Imagem ETM+ (2001). 1223

8 Figura 5 Imagem TM (2004). Após a obtenção da coleção temporal das imagens, desenvolveu-se atividades de campo com apoio de GPS, com objetivo de confirmar os padrões de resposta espectral das imagens, com isso realizou-se a classificação temática de uso da terra a partir da classificação digital supervisionada, obtendo assim como resultado os seguintes temas: remanescentes florestais, mata ciliar, mangue, campo de restinga, agricultura, pastagem, brejo ou inundações, dunas, areal, rios, lagoas, urbanização, indústrias, nuvens e sombra. A quantificação do uso da terra foi realizando nas diferentes imagens fornecendo os dados conforme discriminados na tabela 1 e 2. Tabela 1- Quantificação do uso da terra na bacia hidrográfica do rio Sergipe (Km²) TM TM ETM TM Uso da Terra Km² Km² Km² Km² Remanescentes florestais 181,33 160,12 179,63 207,50 Mata ciliar e mangue 45,91 23,26 32,49 44,60 Campo de restinga 84,93 72,26 62,98 78,87 Agricultura 946,07 825,54 827, ,54 Pastagem 1101, , , ,63 Brejo ou inundações 48,18 31,22 33,49 51,94 Dunas e areal 6,64 5,27 5,37 6,36 Rios e lagoas 38,25 28,34 30,86 40,25 Urbanização e indústrias 45,98 53,62 54,84 73,22 Outros (nuvens e sombra) 1173, ,64 714,51 37,08 Total 3673, , , ,

9 Tabela 2 - Quantificação do uso da terra na bacia hidrográfica do rio Sergipe ( % ) TM TM ETM TM Uso da Terra % % % % Remanescentes florestais 4,89 4,32 4,84 5,60 Mata ciliar e mangue 1,24 0,63 0,88 1,20 Campo de restinga 2,29 1,95 1,70 2,13 Agricultura 25,52 22,26 22,31 37,29 Pastagem 30,66 38,91 47,64 48,15 Brejo ou inundações 1,30 0,84 0,90 1,40 Dunas e areal 0,18 0,14 0,14 0,17 Rios e lagoas 1,03 0,76 0,83 1,09 Urbanização e indústrias 1,24 1,45 1,48 1,97 Outros (nuvens e sombra) 31,66 28,74 19,27 1,00 Total 100,00 100,00 100,00 100,00 Discussão: O resultado obtido pelo cruzamento da base da rede municipal com o limite da bacia hidrográfica do Rio Sergipe permitiu a espacialização das áreas de cada município dentro da bacia, possibilitando a interpretação das áreas e auxiliando a tomada de decisão nos aspectos de ações de monitoramento das áreas pelas prefeituras envolvidas na bacia. Quanto aos resultados das pesquisas das imagens de satélite, tivemos apenas uma cena (2004) sem cobertura de nuvens, sendo os demais anos (1998, 2000 e 2001) com cobertura de nuvens. No processamento das imagens de satélite observou-se a relevante aplicação das técnicas de geoprocessamento através das operações realizadas no sistema de informações geográficas, auxiliando efetivamente na delimitação da bacia hidrográfica e fornecendo um recorte da área de estudo de forma objetiva e direta. Os resultados obtidos a partir do processo de análise temporal não foram satisfatórios, pois conforme verifica-se nas figuras 2, 3 e 4, existe grande cobertura de nuvens e sombras nas imagens tomadas nos anos de 1998 (31,66%), 2000 (28,74%) e 2001 (19,27%) respectivamente. Dessa forma, os dados das áreas e do percentual dos diferentes temas de uso data terra descritos nas tabelas 1 e 2 ficam comprometidos para uma análise mais global e consistente sobre a evolução do uso antrópico, permitindo porém a análise da real situação através da imagem tomada em 2004 (figura 5). Percebeu-se que as principais diferenças de uso da imagem de 2004 com as demais se deram em função do acréscimo de nuvens e sombra das cenas tomadas pelo sistema sensor. Assim, ao analisar os resultados obtidos em 2004, observou-se que a bacia hidrográfica do rio Sergipe apresenta em sua maior abrangência dos 3673,00 Km² de área, os temas de agricultura e de pastagem com 37,29% e 48,5% respectivamente. Outro dado relevante foi verificado quanto a pequena existência de remanescentes florestais (5,60%) e da mata ciliar e mangues (1,20%), suprimidas principalmente para o estabelecimento das culturas agrícolas anuais e pastagens. Comparou-se ainda a evolução das áreas urbanizadas e industrias na cena tomada em 1998, com 1,24 % e na cena tomada em 2004 com 1,97%, observando-se uma evolução de 27,24 Km² no período de 6 anos, provocando o aparecimento de conglomerados urbanos nas periferias da grande Aracaju. 1225

10 Conclusão O processamento dos dados a partir da utilização de sistema de informações geográficas e do GPS se apresentaram eficientes, fornecendo recortes da bacia junto às imagens de satélite e a disposição das áreas dentro de cada município envolvido. A utilização de imagens da série Landsat 5 (TM) e 7 (ETM+) não permitiram um efetivo monitoramento da evolução dos usos antrópicos, pois 75% das cenas tomadas na região da bacia hidrográfica apresentaram alto grau de cobertura de nuvens. As informações obtidas pela imagem tomada em 2004 permitiram analisar dados referentes à abrangência dos temas de uso da terra atual da bacia hidrográfica do rio Sergipe, fornecendo informações relevantes para ações de desenvolvimento sustentável nessa bacia. Recomenda-se em trabalhos futuros com o mesmo objetivo a utilização de novas imagens da série Landsat tomadas sem a cobertura de nuvens e sombras. Referências bibliográficas 1 ASSAD, E.D., SANO, E.E. Sistema de informações geográficas: aplicações na agricultura. 2 ed. Brasília: EMBRAPA, p. 2 TEIXEIRA, A. L. de A., MORETI, E., CHRISTOFOLETTI, A. Introdução aos sistemas de informações geográficas. Rio Claro: Do Autor, p. 3 SILVA, E.M., GONÇALVES, M.E., MUROLO, V., et al. 3 ed. Pesquisa operacional: programação linear, simulação. São Paulo: Atlas, p. 4 ASRAR, G. Theory and applications of optical remote sensing. New York: Wiley, p. 5 NOVO, E.M.L. Sensoriamento remoto, princípios e aplicações. São Paulo: Blucher, p. 6 PEREIRA, R. S. Sistema de tratamento de imagens multiespectrais. Curitiba, p. Tese de Doutorado - Curso de Pós-graduação em Engenharia Florestal, Universidade Federal do Paraná, BURROUGH, P.A. Principles of geographical information systems for land resources assessment. Clarendon Press: Oxford, p. 1226

11 APPLICATION OF GEOPROCESSING TO THE DIAGNOSIS AND CONTROL OF THE ENVIRONMENT Abstract The paper objective to present the actions of research through the geoprocessing in the basin of the river Sergipe, being aimed at to diagnosis impacts caused for people actions in the last years. This basin it important function for the state of Sergipe, being consisting by 26 cities and enclosing a population of 800,000. A research was become fullfilled of the images of satellites of the Landsat series 5 TM and 7 ETM+ of last the years. In posterior stage, through the use of a system of geographic information (SIG), the digital classification supervised of the use of the land in basin was carried through, being situated and quantifying the uses of the land: forest remainders and gallery, fen, field of beach, agriculture, pasture, heath or floodings, dunes, rivers, lagoons, areas of cities and industries, clouds and shades. Additionally, it was gotten the cartographic base of the area from the topographical maps of the IBGE, in scale 1: , with information to: municipal division, rivers, altimetry and road. As last stage, became fullfilled the geoespacial crossing of the thematic maps of use of the land of different the years, thus getting, the study of the territorial occupation and the developed people actions in the study region. The information had allowed to analyze given referring to the dynamics of the use of the land in basin the river Sergipe in the last years, supplying given excellent action of control of the environment and the sustainable development of this important northeast basin of Brazil. Key-wods: remote sensing, use of the land, mapping. 1227