Avaliação da utilização de imagens ALOS para delimitação e classificação de Unidades de Paisagem subsídios ao planejamento ambiental

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1 Avaliação da utilização de imagens ALOS para delimitação e classificação de Unidades de Paisagem subsídios ao planejamento ambiental Stella Peres Mendes 1, Fábio da Silva Lima 2, Antônio José Teixeira Guerra 3 1. Introdução O domínio da Floresta Atlântica brasileira constitui um dos biomas de maior biodiversidade, com alto grau de endemismo. Porém, é também um dos mais ameaçados no mundo, com elevadas taxas de fragmentação florestal decorrente do inexorável ritmo de desmatamento das florestas tropicais. Dos cerca de 5% a 12% de área restante da Mata Atlântica as estimativas variam de acordo com os critérios adotados na sua classificação a maior parte é composta por fragmentos florestais relativamente pequenos de diferentes formas, estruturas, composição, grau de isolamento, tipos de vizinhança e histórico de perturbação, inclusive nas áreas legalmente protegidas (Agarez, 2002, Tonhasca Jr., 2005). Nas últimas décadas do século XX, a problemática da questão ambiental ganhou destaque em todo o mundo, a partir dos avanços na concepção da necessidade de conservação e preservação dos ecossistemas existentes, sendo tomadas medidas legais para a efetivação da manutenção da biodiversidade e para a mitigação dos problemas decorrentes da devastação sem precedentes ocorrida nos séculos anteriores. No Brasil, essas medidas se deram com a consolidação do debate ambiental e com a formulação de medidas para a promulgação de uma legislação que viesse contribuir para a resolução das questões levantadas, como a Lei de Política Nacional de Meio Ambiente (Lei nº6.938 de 31/08/1981) e a Lei do Sistema Nacional de Unidades de Conservação (SNUC, Lei nº de 18/06/2000). A implantação de uma legislação concernente à temática ambiental propiciou a criação de diversas paisagens protegidas, que de acordo com a União Mundial para Conservação (UICN, 2003), são o elemento central das políticas de conservação da biodiversidade. Entender as paisagens que compõem as áreas protegidas, sua dinâmica e funcionalidade são um grande desafio, e a busca por uma metodologia adequada para 1 - doutoranda do Programa de Pós Graduação em Geografia da UFRJ. stellapmendes@yahoo.com.br. 2 - Mestrando do Programa de Pós Graduação em Geografia da UFRJ. 3 - Professor adjunto da UFRJ 1

2 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes a compreensão destes espaços multifacetados exige um grande esforço. Para Richter (2004), uma das questões mais relevantes para a gestão de áreas protegidas é a definição de critérios para as ações conservacionistas, fazendo-se necessário o uso de ferramentas e técnicas que possibilitem uma visão integrada de diversos aspectos envolvidos, auxiliando na tomada de decisões. Venturi (1997) corrobora com esta afirmativa e complementa que essa dificuldade pode ser superada através da utilização das unidades de paisagem (UPs) como recurso metodológico, pois podem apresentar ótimos resultados para o planejamento ambiental por requererem especial atenção aos elementos e aspectos do meio físico e biótico como critérios para sua identificação. Entretanto, para que a delimitação de UPs ocorra com êxito é preciso a existência de uma base de dados de boa qualidade acessível aos gestores das paisagens protegidas, uma vez que a delimitação e classificação de unidades de paisagem é feita a partir de mapas temáticos embasados em imagens de satélites e/ou fotografias aéreas. Rosário et al. (2009) destacam a importância da utilização de imagens de satélite para estudos da paisagem e afirmam que a utilização de modelos descritores de cobertura vegetal e de uso da terra têm contribuído para a avaliação do grau de transformação da paisagem, possibilitando a análise espacial e o cruzamento de diversos dados. Nesse sentido, imagens do satélite ALOS, oferecidas a baixo custo no Brasil se comparada a demais imagens de resoluções espaciais e espectrais semelhantes, pode dar importante contribuição se aplicada de forma correta, por conter informações necessárias que podem subsidiar o planejamento ambiental. Porém, por ser um satélite disponibilizado recentemente, são necessários testes que verifiquem sua eficiência para as finalidades e escalas desejadas. Lançado pela Agência Espacial Japonesa (JAXA), em 2006, este satélite tem como principais funções o monitoramento de desastres ambientais, o suporte a cartografia e o levantamento de recursos naturais. Sua órbita é circular heliossíncrona a 692 Km de atitude, com um tempo de revisita de 46 dias (IBGE, 2009). O satélite ALOS possui três sensores: o AVNIR-2 (Advanced Visible and Near-Infrared Radiometer Type 2), o PRISM (Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Maping) e o PALSAR (Phased Array L-band Synthetic Aperture Radar), sendo os dois primeiros ópticos (passivos) e o último, um radar (ativo). 2

3 2. Objetivos O objetivo desta pesquisa foi a avaliação da imagem de satélite ALOS, especificamente os sensores PRISM e AVNIR-2, para delimitação e classificação de unidades de paisagem numa escala de 1: Objetivos específicos Verificar se é possível fazer mapeamentos para a região serrana do Estado do Rio de Janeiro numa escala de 1: sem a utilização da pontos de controle; Mapear e caracterizar o atual uso e cobertura da terra da APA Macaé de Cima, com ênfase na análise da fragmentação da vegetação; Identificar a mapear as unidades de relevo encontradas na área de estudo; Delimitar e classificar as principais unidades de paisagem da APA Macaé de Cima; Verificar as facilidades e dificuldades proporcionadas pelos sensores PRISM e AVNIR-2 para realização dos mapeamentos descritos acima. 3. Área de Estudo Esta pesquisa tem como região de estudo a Área de Proteção Ambiental (APA) de Macaé de Cima, criada a partir do decreto estadual de 14 de setembro de 2001, que encontra-se situada nos distritos de Lumiar e São Pedro da Serra do município de Nova Friburgo (RJ), com uma área de 350 Km² (Figura 1). Grande parte de sua delimitação se deu pelos limites da bacia hidrográfica do Rio Macaé, a qual está integralmente inserida. 3

4 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes Figura 1 Localização da APA Estadual de Macaé de Cima. Fonte: INEA, A unidade de conservação escolhida localiza-se na região serrana do estado do Rio de Janeiro, Brasil, onde concentram-se os principais remanescentes florestais do Estado, que devido à elevada declividade das escarpas montanhosas, dificultou, a princípio, uma ocupação antrópica densa, garantindo assim a conservação parcial da Mata Atlântica (Rambaldi et al., 2003). A paisagem protegida insere-se ainda na Reserva da Biosfera da Mata Atlântica, uma rede mundial de implantação de áreas protegidas, estabelecida através do Decreto Estadual em 14 de março de 2000, que tem como principais objetivos a manutenção desse quadro favorável de conservação, através da implementação de um corredor ecológico contínuo de Mata Atlântica no Estado, unindo os fragmentos florestais existentes, e a melhoria na qualidade de vida das populações locais. 4. Metodologia As imagens ALOS foram adquiridas no nível de processamento L1B2-G, que corresponde a uma imagem em formato CEOS alinhados de acordo com uma grade de projeção UTM, com calibração radiométrica e coeficientes de correção geométrica aplicados. Este formato não é possível de ser lido nos softwares escolhidos para 4

5 trabalhar as imagens, sendo necessário convertê-las para uma extensão apta. Esta conversão das imagens óticas AVNIR-2 e PRISM do satélite ALOS, do formato CEOS para o GeoTIFF, foi realizada no software ASF Map Ready que é uma ferramenta desenvolvida pelo Grupo de Engenheiros da ASF-Alaska Satellite Facility, do Instituto de Geofísica da Universidade de Fairbanks Alasca. Para verificar se era possível a realização de mapeamentos temáticos para a região serrana do estado do Rio de Janeiro, Brasil, apenas a partir das imagens brutas, sem aquisição de pontos de controle, optou-se por comparar as imagens ALOS brutas transformadas em GeoTIFF com imagens georreferenciadas a partir de obtenção de coordenadas precisas com aparelhos de DGPS (Differencial Global Positioning System). Um aparelho de DGPS foi instalado numa estação geodésica instalada pelo IBGE, com coordenada definida e acurácia zero, e outro aparelho conectado a este foi coletar os pontos pré-definidos (Figura 2). Para a obtenção precisa das coordenadas, foi necessário uma permanência de 40 minutos para cada ponto identificado, de acordo com a metodologia proposta pelo IBGE (2009). Como a distância máxima entre os pontos e a estação geodésica deve ser de no máximo 20 Km, foram necessárias duas estações para abranger toda a área de estudo. Os pontos coletados foram processados pelo software Astech Solution, que a partir de fórmulas matemáticas entre a distância do ponto de controle e a coordenada conhecida da estação geodésica, calculou as coordenadas exatas dos pontos. Figura 2- Mapa de localização dos pontos de controle. Fonte: Mendes,

6 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes No SPRING, as coordenadas foram plotadas nos pixels correspondentes aos pontos de controle e a partir destas o software ajustou a imagem, georreferenciando-a integralmente. Dos 16 pontos coletados em campo, 8 foram utilizados para o georreferenciamento e 8 para sua validação, que foi feita também o a partir da comparação do trajeto do Track Mape, feito com o aparelho de GPS de mão. Tendo sido feito o georreferenciamento, selecionou-se pontos idênticos nas imagens georreferenciadas e brutas e comparou-se suas respectivas coordenadas. O mapeamento da cobertura da Terra foi feito a partir de uma cena do sensor AVNIR-2 (Figura 3), imageada em 18 de abril de 2009, e com a utilização dos softwares SPRING 5.1 e ARCGIS 9.3. Este sensor possui quatro bandas espectrais, equivalentes ao azul, verde, vermelho e infravermelho próximo, tendo resolução espacial de 10m e radiométrica de 8 bits. Figura 3 Carta Imagem da APA Estadual de Macaé de Cima gerada pela composição RGB do sensor AVNIR-2. Fonte: Mendes, Dentre os diferentes métodos de classificação, optou-se pela realização de uma classificação semi-automática. Tendo sido definido as classes, feito o treinamento e a segmentação a imagem foi classificada com o classificador Battacharya, que mede a distância média entre as distribuições de probabilidades de classes espectrais(tutorial do SPRING, 2009). Posteriormente a classificação foi realizado um trabalho de campo 6

7 que permitisse a minimização de dúvidas e a validação do mapeamento final. Após a validação em campo foram realizados ajustes e edições finais no sofware ArcGis 9.3. Para a confecção do mapa de unidades de relevo utilizou o mapeamento geomorfológico feito previamente por Lima (2008) para a bacia hidrográfica do Rio Macaé numa escala 1:50.000, que abrange a área de estudo em sua totalidade, detalhando-o, para que fosse possível alcançar a escala de trabalho de 1: Este detalhamento se deu a partir da sobreposição do mapa geomorfológico da bacia hidrográfica do Rio Macaé a cenas das imagens de satélite ALOS provenientes do sensor PRISM no software ArcGis 9.3. O sensor PRISM possui alta resolução espacial (2,5 m), uma banda pancromática (com comprimentos de onda entre 0,52 e 0,77 microns) e resolução radiométrica também de 8 bits. A partir da identificação das unidades de relevo proporcionadas pelo mapeamento geomorfológico, delimitou-se as unidades de paisagens a serem classificadas. Cada unidade de relevo especificada no mapa passou a corresponder uma unidade de paisagem a ser definida. Estas unidades foram primeiramente classificadas de acordo com a sua composição do geossistema, que neste estudo foi definido a partir da cobertura da Terra. O geossistema da APA Macaé de Cima foi então subdivido em classes definidas preteritamente por Bólos (1981) paisagem natural, paisagem abiótica, paisagem biótica e paisagem antrópica. 5. Resultados Ao comparar a imagem georreferenciada com DGPS com as imagens brutas verificou-se que os pontos marcados na imagem não georreferenciada apresentam um erro superior a 30 metros em relação a realidade, o que compromete a escala de trabalho desejada. Isto vai contra as afirmativas de Gomes et al. (2009), que num estudo na região Amazônica brasileira constataram que o ALOS tem capacidade de obter imagens com qualidade geométrica superior, sem necessidade do uso de pontos no terreno para escala até 1: Talvez a diferença entre este estudo e o de Gomes et al. (2009) seja o relevo, pois o relevo acidentado da APA Macaé de Cima possa ter influenciado um maior erro, enquanto a área de estudo de Gomes et al. (2009), por ser composta majoritariamente de planícies fluviais não apresenta a mesma distorção. A geomorfologia da área de estudo foi, inclusive, um possível entrave para o georreferenciamento das imagens. Mesmo seguindo toda a metodologia recomendada, alguns pontos da imagem apresentaram distorções acima do esperado. 7

8 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes Essas distorções, entretanto, não chegaram a comprometer o alcance da escala desejada, a qual permite um erro máximo de 12,5 metros. Isso corresponde a um erro de 1, 25 pixels para o sensor AVNIR-2 e de 5 pixels para o sensor PRISM. No processo de registro feito, conseguiu-se obter um erro de 0,97 pixels para as imagens do AVNIR- 2 e de 4,3 pixels para as imagens PRISM. Como apenas uma data foi processada, a correção radiométrica não foi necessária. Segundo o IBGE (2009), as imagens geradas pelo sensor AVNIR-2 permitem um monitoramento acurado, com detecção de áreas agrícolas, de florestas, sinais de queimadas recentes, distinção entre floresta nativa e implantada, dentre outros aspectos, sendo indicado para a produção de mapeamentos de uso e cobertura da Terra e monitoramento ambiental com grande eficácia, pois é capaz de variar a visada lateralmente até 44 o (IBGE, 2009). Esta eficácia foi comprovada com o mapeamento de uso e cobertura da Terra da APA de Macaé de Cima (Figura 4), o qual pela junção da metodologia de classificação com a qualidade da imagem escolhida conseguiu ser bem representativo da realidade do local. Figura 4 Mapa de uso e cobertura da Terra da APA Estadual de Macaé de Cima (RJ-Brasil). Fonte: Mendes,

9 Segundo Rosário et al. (2009), apesar de haver vários estudos que abordam e caracterizam os fragmentos florestais, existe uma carência significativa de técnicas que viabilizem a detecção dos diferentes estágios sucessionais da floresta, minimizando os dispendiosos esforços de campo, e a definição de indicadores que auxiliem na percepção de níveis de degradação em escalas de paisagem. Essa carência pode vir a ser suprimida com a combinação de técnicas eficientes de processamento digital de imagem e as imagens ALOS, pois neste estudo verificou-se que a banda 4 da imagem torna possível esta detecção. Entretando, deve-se mencionar grande dificuldade para separar as classes floresta em estado intermediário e floresta em estado avançado, devido a respostas espectrais semelhantes. Essa dificuldade, porém, também é encontrada em trabalhos de campo. O mapeamento geomorfológico (Figura 5) também teve seu êxito alcançado, sendo possível identificar e delimitar as unidades de relevo existentes na área de estudo. Este resultado condiz com afirmações do IBGE (2009), de que por apresentar uma ótima resolução espacial, as imagens obtidas do sensor PRISM são fundamentais para a observação de alvos e detalhes da área de estudo, corroborando para confecção de um mapa temático com pequeno percentual de erros. A utilização da visada Nadir em detrimento das demais pode ter sido um fator que corroborou para o resultado obtido, visto que esta é a visada que sofre menor deformação (IBGE, 2009b). Figura 5 Mapa geomorfológico da APA Estadual de Macaé de Cima (RJ Brasil). Fonte: Mendes,

10 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes A sobreposição dos mapas descritos acima possibilitou a delimitação e classificação das unidades de paisagem pela metodologia proposta por Bólos (1981). Ao sobrepor as áreas das classes de uso e cobertura da Terra identificadas a partir das imagens de satélite, permitiu-se individualizar para a APA Estadual de Macaé de Cima quatro grandes unidades de paisagem, que foram subdivididas em 12 subunidades, que podem ser vistas na figura 6. Enquanto para a classificação das cinco grandes unidades o critério foi a compartimentação do relevo, para as subunidades levou-se em conta a resposta espectral do uso do solo e da cobertura vegetal de acordo com as imagens de satélite utilizadas. A sombra, área sem possibilidade de ser mapeada, foi definida como quinta. Figura 6 Mapa de unidades de paisagem da APA Estadual de Macaé de Cima (RJ Brasil). Fonte: Mendes, Em nenhum mapeamento foi necessária a fusão de diferentes sensores e resoluções, que preservaria as características espectrais obtendo uma imagem colorida com melhor resolução espacial conforme propõe Morais et al. (2009). A escala desejada foi obtida para todos os mapeamentos realizados a partir de cenas das imagens ALOS georreferenciadas. 10

11 6. Conclusões O controle e mapeamento da floresta atlântica são atividades muito importantes para evitar desmatamentos e a destruição de suas espécies assim como para analisar o grau de evolução das mesmas e compreender melhor a dinâmica da região (Rosário et al., 2009). Os resultados deste trabalho permitiram concluir que os sensores AVNIR-2 e PRISM do satélite ALOS podem vir a ser uma grande contribuição para o planejamento de paisagens protegidas no Brasil, uma vez que permitem determinar o estágio de conservação das mesmas, além de identificar a distribuição espacial das classes de uso e cobertura da Terra numa escala de semi-detalhe. A classificação de unidades de paisagens é igualmente relevante pois estas apontam regiões de possível fragilidade e de tendência a retração florestal, ou seja, que merecem maior atenção dos órgãos governamentais, devendo ser priorizada nos planos de gestão. Este trabalho vai de acordo com as afirmações de Morais et al. (2009), de que espera-se que o satélite ALOS desempenhe um papel importante para as organizações oficiais de mapeamento de todo o mundo, como o IBGE, visto que a eficácia deste como ferramenta ao diagnótisco e monitoramento ambiental foi confirmada, apesar de haver algumas dificuldades a serem superadas, como a necessidade de obtenção de pontos de controle para área com relevo acidentado, o que acarreta um custo adicional a pesquisa e/ou planejamento de paisagens protegidas. 11

12 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes 7. Bibliografia Agarez, F. V. (2002). Contribuição para a gestão de fragmentos florestais com vista a conservação da biodiversidade em Floresta Atlântica de Tabuleiros. Tese (Doutorado em Geografia) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Geociências, Rio de Janeiro, 237p. Bólos, M.C. (1981). Problemática actual de los estudios de paisaje integrado. Revista de Geografia, Barcelona, v.15, 45:68. Guerra, A.J.T.; Marçal, M.S. (2006). Geomorfologia Ambiental. Bertrand Brasil, RJ. 192p. Instituto brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) Acesso em 10 de Julho de IBGE, Relatório (2009b) Avaliação Planialtimétrica de Dados ALOS/PRISM Estudo de Caso: Itaguaí RJ. Disponível em Acesso em 18 de Julho de Instituto brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) (2006). Manual técnico de uso da terra. Rio de Janeiro,2ª edição, 91p. Instituto nacional de pesquisas espaciais (INPE) Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) - Acesso em 16 de Julho de Jensen. J. R. (2009). Sensoriamento Remoto do ambiente: uma perspective em recursos terrestres. Editora Parêntese, São José dos Campos/SP, 445:510. Lima, R.N.S. (2008b). Classificação dos Estilos Fluviais na bacia do rio São Pedro. Uma abordagem geomorfológica ao planejamento dos recursos hídricos. Monografia do curso de Graduação em Geografia Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Geociências, Departamento de Geografia Rio de Janeiro RJ, 36 p. Mendes, S. P. (2010). Dinâmica da paisagem em unidades de conservação: estudo de caso da Área de Proteção Ambiental Estadual de Macaé de Cima (RJ). Dissertação de mestrado submetida ao PPGG da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Geociências, Rio de Janeiro, 136p. Rambaldi, D. M.(2002) A Reserva da Biosfera na Mata Atlântica do Estado do Rio de Janeiro. Conselho Nacional da Reserva da Biosfera na Mata Atlântica, São Paulo, 65p. 12

13 Richter, M. (2004). Geotecnologias no Suporte ao Planejamento e Gestão de Unidades de Conservação, Estudo de Caso: Parque Nacional do Itatiaia. Dissertação (Mestrado em Geografia) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Geociências, Rio de Janeiro, 162 p. Rosário, L.; Cruz, C.; Temponi, L.; Santos, P. (2009). Análise orientada a objeto no mapeamento dos estágios sucessionais da vegetação na escala 1:25.000: um estudo de caso da Rebio União, RJ. In: Anais do XIV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Natal, RN. pp Sistema nacional de Unidades de Conservação SNUC (2000). Lei de número 9.985, de 18 de julho de Brasília: MMA/SBF. Soares, F. M. (2001). Unidades de Relevo como proposta de classificação das paisagens da bacia do rio Curu Estado do Ceará. Tese de doutorado, Departamento de Geografia da USP, 184p. Suertegaray, D. M. A. e Guasselli, L. A. (2004). Paisagens (imagens e representações) do Rio Grande do Sul. In: Verdum, R., Basso, L. A. e Suertegaray, D. M. A. (orgs). Rio Grande do Sul: paisagens e territórios em transformação. Editora da UFRGS, Porto Alegre, 27:38. SPRING (tutorial) disponível em Acesso em 14/07/09. Venturi, L.A.B. (1997). Unidades de Paisagem como recurso metodológico aplicado na geografia física. In: Anais do VII Simpósio Brasileiro de Geografia Aplicada, Curitiba, 8p. Tonhasca Junior, A. (2005). Ecologia e história natural da mata atlântica. Ed. Interciência Ltda., Rio de Janeiro. 197 p. 13