Análise de paisagem auxiliada por fusão de imagens orbitais e modelo digital de elevação

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1 Análise de paisagem auxiliada por fusão de imagens orbitais e modelo digital de elevação Moisés Pereira Galvão Salgado¹ Kleber Trabaquini¹ Pedro Valle de Carvalho e Oliveira¹ Francisca Rocha de Souza Pereira¹ ¹ Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE Av. dos Astronautas, Caixa Postal São José dos Campos - SP, Brasil {salgado, kleber, pedrovco,fran}@dsr.inpe.br Resumo: A ocupação desordenada da bacia de drenagem do Alto Taquari tem contribuído para uma gama de impactos ambientais. O presente trabalho tem por objetivo avaliar o uso da fusão IHS e Modelos Digitais de Elevação (MDE) para o mapeamento da vegetação e uso da terra na análise de paisagem da bacia do Alto Taquari. Para a realização da fusão IHS foram utilizadas imagens multiespectrais CCD/CBERS2B e TM/LANDSAT5 e imagem pancromática HRC/CBERS2B e o MDE utilizado foi o mosaico SRTM disponibilizado pela EMBRAPA. As imagens resultantes do processo de fusão IHS CCD/HRC e TM/HRC apresentaram grandes semelhanças, porém o maior número de bandas espectrais do sensor TM/LANDSAT5 em relação ao sensor CCD/CBERS2B permitiu uma maior quantidade de combinações de bandas e composições coloridas RGB, favorecendo a identificação de alguns tipos de alvos. A utilização do MDE em conjunto com as imagens resultantes da fusão IHS auxiliou na identificação dos elementos da paisagem e na detecção das formas do relevo, linhas de drenagem e vegetação em áreas declivosas. Com isso, a técnica empregada no presente trabalho demonstrou ser uma importante ferramenta de auxilio na análise de paisagem. Palavras-chave: sensoriamento remoto, geoprocessamento, uso da terra, fusão IHS. 593

2 Abstract: The random occupation of the Alto Taquari watershed has contributed to a few environmental impacts. This study aims to evaluate the use of IHS fusion and Digital Elevation Model (DEM) for vegetation mapping and land use dynamics in the study area. Multispectral CCD/CBERS2B and TM/LANDSAT5 images, panchromatic HRC/CBERS2B image and the SRTM DEM mosaic from EMBRAPA were used to perform the application of the IHS fusion. The resulting images of the fusion process IHS CCD/HRC and TM/HRC showed great similarities, but the major number of spectral bands of TM/LANDSAT5 in comparison to CCD/CBERS2B allowed a greater amount of band combinations and RGB compositions, helping the identification of some types of targets. The use of DEM with the images from the IHS fusion helped in the identification of landscape elements and the detection of landforms, drainage network and vegetated hillslopes. Thus, the technique used in this study proved to be an important tool towards landscape analysis. Key-words: remote sensing, image processing, land use, IHS fusion. 1. Introdução O Pantanal, declarado Reserva da Biosfera e Patrimônio Mundial Natural pela UNESCO (Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência e a Cultura), está presente em dois estados, Mato grosso e Mato Grosso do Sul, ocupa uma área de km², cerca de 1,76% da área brasileira, IBGE (2004). O bioma é uma intersecção de quatro grandes domínios fitogeográficos: a Floresta Amazônica, Floresta Atlântica, Cerrado e Charco, apresentando grande diversidade de espécies vegetais e animais, Silva et al. (2005). O clima da região pantaneira é o tropical com duas estações definidas que se caracteriza pelo ciclo da seca e cheia, Santos et al. (2007). A expansão desordenada das atividades agropecuárias na região do Pantanal tem contribuído para a degradação dos ambientes naturais, bem como na intensificação da erosão laminar e do assoreamento e contaminação dos rios com biocidas, perda da fauna, flora e da biodiversidade do Pantanal, Santos (2006). A erosão de forma acelerada decorrente das atividades humanas na região promove o desequilíbrio dos processos naturais acarretando em prejuízos para a exploração agropecuária, para setores socioeconômicos e principalmente para o meio ambiente, Galdino et al. (2003). O Rio Taquari é um dos principais formadores do bioma Pantanal e tem suas nascentes nas terras altas do planalto drenado pelo rio e seus afluentes. A região da bacia do Alto Taquari se caracteriza pela alta erodibilidade e transporte de sedimentos, causado principalmente pelos impactos decorrentes das atividades antrópicas como a agricultura e a pecuárias nos municípios localizados no planalto, Santos (2006). A região da bacia do Alto Taquari apresenta solos de alta erodibilidade recobrindo 79% da superfície, classificados em: Areias Quartzosas, Solos Litólicos e os Podzólicos Vermelho- Amarelos. Atributos do solo como a textura, teor de matéria orgânica, estrutura, permeabilidade, profundidade, entre outros, influenciam a erodibilidade dos solos. Para minimizar a erosão do local ressalta-se a importância de se obter informações à respeito da erosão da bacia, identificação das áreas de risco, monitoramento pluviográfico, visto que a água da chuva é o principal agente de transporte de partículas do solo, capacitação e implementação de tecnologias de redução de erosão, entre outros, sendo que a maior parte das pastagens estão em solos de textura arenosa de baixa fertilidade, Galdino et al. (2003). A ocupação do planalto adjacente tem contribuído para uma gama de impactos ambientais e a conservação de seus recursos naturais é de grande importância. O uso de técnicas de sensoriamento remoto para mapeamento, quantificação dos remanescentes de vegetação, análise, 594

3 entre outros, destes ambientes pode vir a contribuir na formulação de políticas publicas para o desenvolvimento sustentável destas áreas, vindo a mitigar os processos erosivos na região, Silva (2005). Diagnósticos da região por meio de aplicações do sensoriamento remoto podem ser observados nos trabalhos de Silva et al. (2006) na qual fizeram uma relação identificando e analisando os aspectos metodológicos dos principais trabalhos de mapeamento da vegetação no Pantanal brasileiro. Abdon (2007) apresenta em seu trabalho as fisionomias da vegetação nas sub-regiões do Pantanal brasileiro, caracterizando a vegetação, solos, geologia, morfologia, entre outros aspectos. Silva e Abdon (1998) delimitaram e subdividiram a região de acordo com os aspectos relacionados à inundação, relevo, solo e vegetação, Santos (2006) sintetiza as atuais aplicações das ferramentas do sensoriamento remoto e sistemas de informações geográficas, como mecanismo de acompanhamento da dinâmica e condições da paisagem diante das intervenções antrópicas. Diversos esforços têm sido realizados para aperfeiçoar a extração de informações de imagens orbitais por meio de técnicas de processamento que auxiliam na interpretação de imagens. Dentre as técnicas de sensoriamento remoto aplicadas à análise de paisagem, a fusão de imagens destacase por combinar imagens de diferentes características espectrais e espaciais para sintetizar uma nova imagem com melhor resolução espacial do que a imagem multiespectral original. Para Matias et al. (2009) esta técnica de fusão resulta na possibilidade de se trabalhar com maior propriedade para reconhecimento dos diferentes alvos presentes nas imagens, tanto ao usar técnicas de processamento digital como de interpretação visual. Leonardi et al. (2009) compararam diferentes técnicas de fusão de imagens CCD- HRC/CBERS e concluíram que os resultados pelo método IHS foram plenamente satisfatórios, sendo que as imagens fusionadas proporcionam uma melhor visualização dos detalhes, onde os mesmos aparecem realçados após a fusão. Hadlich et al. (2007) utilizaram técnicas de fusão IHS- RGB e imagens CBERS, bandas 2, 3 e 4, para identificação de manguezais na Bahia. Debiasi et al. (2007) utilizaram fusões de imagens MODIS com NDVI TM/LANDSAT5 para a classificação de áreas de cultivo de soja no Rio Grande do Sul. Dutra e Meneses (1986) descreveram a aplicação da transformação IHS para realce de cores em imagens LANDSAT e constataram que unidades litológicas não distinguidas nas composições coloridas foram destacadas após a transformação IHS. Candeias e Junior (2009) utilizaram o realce de cores por IHS em imagens CBERS-CCD para melhorar a visualização da linha de costa, transporte e deposição de sedimentos no Estuário do Rio Paraíba do Norte. 2. Objetivo O presente trabalho tem por objetivo avaliar o uso da fusão IHS e Modelos Digitais de Elevação (MDE) para o mapeamento da vegetação e uso da terra na análise da paisagem do bioma Pantanal, na bacia do Alto Taquari, utilizando-se imagens multiespectrais CCD/CBERS2B e TM/LANDSAT5, imagens pancromáticas HRC/CBERS2B e MDE SRTM. 3. Material e Métodos Para a realização da fusão IHS foram utilizadas imagens multiespectrais CCD/CBERS2B da órbita 164 e ponto 121 de 27/08/2008 e TM/LANDSAT5 da órbita 225 e ponto 73 de 28/08/2008 e imagem pancromática HRC/CBERS2B da órbita 164 ponto 121 faixa D de 27/08/2008, 595

4 referente à região de zona urbana do município Coxim e zona rural do município de Rio Verde do Mato Grosso, estado do Mato Grosso do Sul. Ver Figura 1. Figura 1. Localização da cena HRC/CBERS2B da órbita 164 ponto 121 faixa D, utilizada nos processos de fusão IHS (composição 3R2G1B resultante da fusão IHS-TM/HRC). O MDE utilizado é compatível com a carta do IBGE SE-21-Z-B-V-1-NE de escala 1: e consiste no mosaico SRTM disponibilizado pela EMBRAPA, Miranda (2005). O Sistema de Informação Geográfico (SIG) denominado Sistema de Processamento de Informações Georreferenciadas (SPRING 4.3.3) foi utilizados para o processamento dos dados espaciais e o SIG denominado Global Mapper foi utilizado para visualização 3D do MDE acoplado à imagem resultante da fusão IHS. Previamente ao registro das imagens, realizou-se a restauração das bandas das imagens multiespectrais para pixels de saída de 10m x 10m por meio das ferramentas do SPRING Foi realizado o registro das imagens com base no mosaico da NASA denominado Geocover Após a importação e registro das imagens para o banco de dados geográficos no aplicativo SPRING 4.3.3, realizou-se a reamostragem das imagens multiespectrais para pixels de 2,5m x 2,5m. Todas as imagens utilizadas para os processos de fusão IHS foram recortadas de modo a permanecerem com o mesmo número de linhas e colunas. Em seguida foram selecionadas as combinações de bandas RGB para a fusão IHS. Ver Figura 2. Figura 2. Composições de bandas espectrais utilizadas no processo de fusão IHS. 596

5 No processo de fusão IHS, as composições RGB das bandas são transformadas em três componentes da imagem denominados: intensidade ( intensity I), matiz ( hue H) e saturação ( saturation S) que descrevem a formação de cores de uma maneira muito próxima àquela pela qual o sistema visual humano percebe as cores. A componente intensidade é a medida do brilho de uma determinada cor, a matiz é o comprimento de onda dominante da cor observada e a saturação é o grau de pureza da cor. Os valores de intensidade e de saturação variam de 0 a 1, enquanto os valores de matiz estão compreendidos entre os ângulos 0 e 360 graus. Após a conversão RGB-IHS, realiza-se uma composição utilizando-se as componentes IHS onde a componente intensidade é substituída pela imagem pancromática HRC e, em seguida é realizada a transformação IHS-RGB. Esta técnica possui duas importantes limitações: o número de bandas a ser utilizado limita-se a três e a imagem de saída limita-se a uma resolução radiométrica de 8 bits. As imagens resultantes do processo de fusão IHS foram utilizadas como textura para o MDE gerado de modo a auxiliar a interpretação visual das imagens. Foi realizada a classificação automática, utilizando-se o método de segmentação por crescimento de regiões com similaridade 12 e área de 500 pixels e o classificador isoseg com limiar de aceitação de 75%, 90%, 95% e 99%. Realizou-se a edição matricial para adequar o mapeamento de uma área de 729 km 2, referente à cena HRC utilizada no processo de fusão. A interpretação visual das imagens resultantes da fusão foi auxiliada pela visualização 3D do MDE e pelas informações disponibilizadas pelo CENSO IBGE Resultados e Discussão Observou-se que as imagens resultantes da fusão IHS apresentam uma riqueza de detalhes, integrando a resolução espacial da banda pancromática com a resolução espectral das bandas multiespectrais, produzindo imagens coloridas que combinam as duas características. Entretanto, em relação à preservação de cores, observou-se que nas imagens fusionadas pelos métodos IHS, os corpos d água apresentam uma pequena mudança na tonalidade de cor. Ver Figura 3. a) b) Figura 3. Área Urbana do município de Coxim-MS ilustrada na composição colorida 3R2G1B de imagem CCD/CBERS2B (a) e imagem resultante da fusão IHS-CCD/HRC (b). 597

6 As imagens resultantes do processo de fusão IHS CCD/HRC e TM/HRC apresentaram grandes semelhanças em termos de identificação de alvos e elementos da paisagem. Entretanto, o maior número de bandas espectrais do sensor TM/LANDSAT5 em relação ao sensor CCD/CBERS2B permitiu uma maior quantidade de combinações de bandas e composições coloridas RGB, favorecendo a identificação de alguns tipos de alvos. Notou-se que as composições RGB que utilizaram a banda do infravermelho de ondas curtas (banda 5) do sensor TM/LANDSAT5 contribuíram para uma melhor visualização dos elementos da paisagem, principalmente no delineamento de corpos d água e áreas de vegetação. Observou-se que para as imagens resultantes da fusão IHS-TM/HRC a composição 4R5G3B apresentou melhor distinção entre os elementos da paisagem. Ver Figura 4. Figura 4. Imagem resultante da fusão IHS-TM/HRC composição 4R5G3B referente à área da cidade de Coxim, ilustrando o Rio Taquari (azul) e a vegetação em destaque (vermelho). Nas imagens resultantes da fusão IHS-CCD/HRC, pôde-se observar que a ausência de uma banda espectral na região do infravermelho de ondas curtas resultou em um menor contraste entre os alvos. Desta forma, a composição 4R3G2B apresentou o melhor resultado em termos de distinção de alvos dentre as composições RGB utilizadas na fusão CCD/HRC. Ver Figura 5. Figura 5. Imagem resultante da fusão IHS-CCD/HRC composição 4R3G2B referente à área da cidade de Coxim, ilustrando o Rio Taquari (azul) e a vegetação (vermelho). 598

7 Notou-se que a utilização do MDE em conjunto com as imagens resultantes da fusão IHS auxiliou na identificação dos elementos da paisagem e na detecção das formas do relevo, linhas de drenagem e vegetação em áreas declivosas. Ver Figura 6. Figura 6. Visualização em perspectiva do MDE recoberto pela imagem resultante da fusão IHS TM/HRC, composição colorida 3R2G1B. Figura 7. Mapa temático do uso da terra gerado por meio de interpretação visual dos elementos da cena HRC de órbita 164, ponto

8 A classificação visual para o mapeamento do uso da terra foi realizada considerando as classes abrangentes: água, áreas úmidas, agricultura, pastagem, vegetação e urbano. A Figura 7 representa o mapa temático gerado por meio da interpretação visual dos elementos da cena HRC analisados nas imagens resultantes da fusão IHS. Pôde-se notar que o delineamento das feições da paisagem foi facilitado pelo ganho de resolução espacial obtido pelo processo de fusão IHS. Desta forma, o reconhecimento dos limites e fronteiras entre os elementos da imagem foram beneficiados, permitindo maior detalhamento na classificação das imagens resultantes do processo de fusão. A avaliação qualitativa dos resultados da classificação automática das imagens resultantes da fusão indicou o potencial de distinção dos diferentes usos da terra. Notou-se que o limiar de aceitação de 75% para o classificador isoseg e composição de bandas 4R5G3B, apresentou a melhor separação dos diferentes tipos de coberturas do terreno, agrupando os elementos da paisagem em 12 classes. Entretanto, observou-se erros de inclusão e exclusão nas regiões de transição entre diferentes elementos. Ver Figura 8. a) b) Figura 8. Imagem resultante da fusão IHS TM/HRC utilizando a composição de bandas 4R5G3B (a) e resultado da classificação automática utilizando o classificador isoseg e limiar de aceitação de 75% da composição referida (b). 600

9 5. Conclusões O uso das imagens resultantes da fusão IHS, utilizando-se imagens multiespectrais CCD/CBERS2B e TM/LANDSAT5 e imagens pancromáticas HRC/CBERS2B possibilitaram trabalhar com maior resolução para reconhecimento dos diferentes alvos presentes nas imagens da área de estudo, tanto ao usar a ferramenta de classificação automática isoseg como para a interpretação visual. A visualização em perspectiva da área de estudo com base no modelo digital de elevação SRTM em conjunto com as imagens resultantes do processo de fusão IHS possibilitaram uma melhor identificação dos elementos da paisagem e permitiram analisar o uso da terra nos diferentes tipos de topografias presentes na área de estudo. 6. Agradecimentos Ao Dr. Laércio M. Namikawa da Divisão de Processamento de Imagens (INPE) pelo tutorial de fusão IHS no SPRING e as agências financiadoras CNPq e FAPESP. 7. Referências Abdon, M. M. Fisionomias da vegetação nas sub-regiões do Pantanal brasileiro. [S.l.] [s.n.] ISBN , (INPE--/). Disponível em: < Acesso em: 20 ago Candeias, A. L. B.; Tavares Júnior, J. R. Realce da Linha de Costa, Transporte e Deposição de Sedimentos no Estuário do Rio Paraíba do Norte - PB com Imagens CBERS-CCD. In: Simpósio Brasileiro De Sensoriamento Remoto, 14. (SBSR), 2009, Natal. Anais... São José dos Campos: INPE, p DVD, On-line. ISBN Disponível em:< Acesso em: 21 ago Debiasi, P.; Eckhardt, R. R.; Castolldi, G.; Madruga, R.; Coutinho, A. Fusão de imagens MODIS com NDVI do Landsat para a classificação de áreas de cultivo de soja. In: Simpósio Brasileiro De Sensoriamento Remoto, 13. (SBSR), 2007, Florianópolis. Anais... São José dos Campos: INPE, p CD-ROM, On-line. ISBN Disponível em:< Acesso em: 21 ago Dutra, L. V.; Meneses, P. R. Aplicação da transformação IHS para realce de cores em imagens Landsat. In: Simpósio Brasileiro De Sensoriamento Remoto, 4. (SBSR), 1986, Gramado. Anais... São José dos Campos: INPE, v. 2, p Printed, On-line. ISBN (INPE-7819-PRE/3659). Disponível em: < Acesso em: 21 ago Galdino, S. Vieira, L.M. Soriano, B. M. A. Erosão na Bacia do Alto Taquari. Documento 52, Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, Mato Grosso, ISSN ADM Artigo de Divulgação na Mídia,. Disponível em < acesso em 11/08/2009. Hadlich, G. M.; Oliveira, T. L.; Yamaguchi, F. Y.; Ucha, J. M. Utilização de imagem CBERS e do programa Spring para identificação de manguezais na área norte da Baía de Todos os Santos, Bahia, Brasil. In: Simpósio Brasileiro De Sensoriamento Remoto, 13. (SBSR), 2007, Florianópolis. Anais... São José dos Campos: INPE, p CD-ROM, On-line. ISBN Disponível em:< Acesso em: 21 ago IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Mapa de biomas e vegetação disponível em < em 07/08/2009. IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Censo disponível em < Acesso em 11/08/

10 Leonardi, F.; Oliveira, C. G.; Fonseca, L. M. G.; Almeida, C. M. Fusão de Imagens CBERS 2B: CCD-HRC. In: Simpósio Brasileiro De Sensoriamento Remoto, 14. (SBSR), 2009, Natal. Anais... São José dos Campos: INPE, p DVD, On-line. ISBN (INPE PRE/10523). Disponível em: Acesso em: 21 ago Matias, L, F. Caporusso, D. Cruz, J, R. Carvalho, J, C, B. Análise comparativa de técnicas de fusão de imagens CBERS-2B (CCD e HRC) utilizando o software ArcGIS. In: Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, 14, 2009, Natal. Anais... São José dos campos: INPE, 2009, p Miranda, E. E. de; (Coord.). Brasil em Relevo. Campinas: Embrapa Monitoramento por Satélite, Disponível em: < Acesso em: 23 ago Santos, J.R. Avanços das pesquisas e aplicações de sensoriamento remoto no monitoramento da paisagem: contribuições aos estudos do Pantanal. Simpósio de Geotecnologias no Pantanal, 1, 2006, Anais... Campo Grande, Brasil, Embrapa InformáticaAgropecuaria/INPE, 2006, p Santos, S.A; Soriano, B.M.A.; Comastri Filho, J. A; Abreu, U. G. P. Cheia e seca no Pantanal: importância do manejo adaptativo das fazendas. Corumbá, MS: Embrapa Pantanal, p. ADM Artigo de Divulgação na Mídia, n.120. Disponível em: < Acesso em: 26 jul Silva, J. S. V.; Abdon, M. M. Estado da arte do mapeamento da vegetação do Pantanal brasileiro. In: Seminário De Atualização Em Sensoriamento Remoto E Sistemas De Informações Geográficas Aplicados À Engenharia Florestal, 7. Curitiba Papel; On-line. (INPE PRE/9445). Disponível em: < Acesso em: 20 ago Silva, J.S.V.; Abdon, M.M.; Miranda, J.I.; Silva, M.P. Proposta para quantificar os remanescentes da vegetação do Pantanal brasileiro. In: Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, 12, 2005, Goiânia, Anais São José dos campos: INPE 2005 p disponível em acesso em 06/08/2009. Silva, J.S.V. Abdon, M.M. Delimitação do Pantanal brasileiro e suas sub-regiões. Revista Pesquisa Agropecuária Brasileira, Brasília, v.33, número especial, p , UNESCO- Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência e a Cultura. site consultado mundial/areas/ciencias/areastematicas/patrimonionatural/patrimonionatural acesso em 19/08/