Avaliação altimétrica e geomorfológica da bacia do Alto Camaquã/RS utilizando os modelos digitais de elevação ASTER e SRTM. Danilo Serra da Rocha

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1 Avaliação altimétrica e geomorfológica da bacia do Alto Camaquã/RS utilizando os modelos digitais de elevação ASTER e SRTM Danilo Serra da Rocha Embrapa Pecuária Sul Embrapa/CPPSUL Rod. BR-153 km 603 Bagé/RS, Brasil CEP , Caixa Postal 242 danilo.rocha@embrapa.br Abstract. Digital Elevation Models (DEM) are generated from remote sensing images and may be applied to different studies. The use of Digital Elevation Models (DEMs) in geomorphology allows the calculation of variables associated with relief quickly and accurately. This article presents an overview of applications elevation models from SRTM and ASTER in geomorphological analysis conducted in the area of the drainage basin river Camaquã and an appreciation of the limitations. The Alto Camaquã, located in the southern half of the State of Rio Grande do Sul, comprising the upper third of the drainage basin river Camaquã, having great part of its territory located in the southeastern Sierra/RS.O relief geomorphological features a large heterogeneity and predominance of landscapes with wavy relief. In a second step, the present study evaluated the vertical accuracy of Digital Elevation Models (DEMs) ASTER and SRTM, freely available on the internet. The methodology follows the rules stipulated by Cartographic Accuracy Standard (PEC), presented by CONCAR, on scales of 1: 50,000, 1: 100,000 and 1:250,000, using the models mentioned and validation points that were RRNN obtained from the Institute Brazilian of Geography and Statistics (IBGE). The results showed that the model ASTER attended class A scale 1: 100,000 and SRTM reached only Class B on a scale of 1: 100,000. On the scale 1: 50,000, both models have not reached the accuracy described in PEC. Palavras-chave: remote sensing, digital elevation model, geomorphologic mapping, topography, sensoriamento remoto, modelo digital de elevação, mapeamento geomorfológico, topografia. 1. Introdução O uso dos Modelos Digitais de Elevação (MDEs) como as imagens ASTER e SRTM tem se tornado cada vez mais freqüente em estudos geológicos, hidrológicos, geomorfológicos, ecológicos, dentre outros, em particular para análises tanto quantitativas como qualitativas do relevo e seus agentes modificadores conforme Carvalho e Latrubesse (2004), em especial na elaboração de mapas hipsométricos e clinográficos (declividade), e de perfis topográficos, dentre outros produtos elaborados a partir de variáveis relacionadas à topografia. Inicialmente, os modelos eram gerados a partir da digitalização de dados topográficos coletados em campo. Atualmente, modelos digitais de elevação obtidos por métodos como a estereoscopia orbital e interferometria por radar representam uma alternativa mais eficiente para a geração de bases topográficas padronizadas, cobrindo áreas relativamente extensas em menor tempo. A área de estudo do presente trabalho encontra-se no terço superior da Bacia do Rio Camaquã, ou o Alto Camaquã. O mesmo compreende os municípios de Bagé, Caçapava do Sul, Pinheiro Machado, Piratini, Santana da Boa Vista e em menor medida, Dom Pedrito e Candiota. A escolha desta área deu-se devido a grande heterogeneidade geomorfológica existente na região, com o predomínio de paisagens com declividades acentuadas em seu relevo, ideais para avaliar a potencialidades dos MDEs. A metodologia adotada neste trabalho aplicou técnicas de PDI sobre imagens Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer, ASTER para gerar modelo de altimetria e a partir disto, obter feições geomorfológicas, como altimetria e declividade. Simultaneamente foram aplicadas técnicas semelhantes aos dados Shuttle Radar Topography Mission, SRTM, a fim de compará-los com dados ASTER. 4101

2 Segundo Jensen (2009), a missão SRTM usou um radar de abertura sintética interferométrico, banda C e banda X, para adquirir dados topográficos em mais de 80 % da área emersa da Terra, entre 60º N e 56º S, durante os 11 dias de duração da missão. Assim, o primeiro levantamento mundial de dados digitais de elevação foi realizado utilizando-se interferometria e não fotogrametria. Os dados brutos foram processados pela NASA e, apesar de obtidos com resolução espacial de 1 segundo de arco (aproximadamente 30 m no equador), estão disponíveis com este nível de detalhe apenas para a área dos Estados Unidos. Para os outros países, houve uma reamostragem dos dados para 3 segundos de arco (aproximadamente 90 m) de resolução espacial. Para a América do Sul, a precisão vertical é de 6,2 m e a horizontal de 9,0 m conforme Rodriguez et al. (2006). O produto é georreferenciado ao datum WGS-84 em coordenadas geográficas decimais e pode ser obtido via Internet. Os dados para o território brasileiro processados pela Embrapa conforme Miranda (2005) estão disponíveis segundo a articulação das folhas topográficas em escala 1: Os produtos ASTER são resultados de um consórcio entre a NASA e o Ministério da Economia, Comércio e Indústria do Japão METI para construção de uma modelo digital de elevação global de livre acesso. A partir do dia 29 de junho de 2009, modelos digitais de elevação, construídos a partir de pares estereoscópicos de imagens oriundas da plataforma EOS AM-1 com o instrumento ASTER, sensor VNIR, foram disponibilizados gratuitamente e sem restrições. Para obtenção dos dados de elevação da superfície o sensor opera no modo estereoscópico com as bandas 3N (nadir) e 3B (backward) correspondentes a faixa do infravermelho próximo (0,78 0,86 µm) conforme Jensen (2009). Este produto apresenta uma resolução espacial de 30 m e recobre praticamente todo globo terrestre. É o mais completo mapa da superfície da Terra, cobrindo 99% de sua superfície. 2. Metodologia de Trabalho A bacia do Alto Camaquã está limitada pelas coordenadas 30º25 a 31º33 S e 52º48 a 54º12 W, compreendendo uma área de 8670 km² com altitudes que variam de 40 a 480 metros conforme Figura 1. Figura 1. Localização do Alto Camaquã 4102

3 Para iniciar o processamento dos dados, foi criado um projeto no software SPRING 5.2 e gerado um arquivo digital incluindo os limites da área de estudo. O arquivo vetorial foi reprojetado para sistema de coordenadas geográficas Lat/Long e datum WGS-84. Em seguida, foram gerados os mosaicos correspondentes aos MDEs ASTER e SRTM considerando as imagens adjacentes de cada modelo correspondentes à área de estudo. Através de técnicas de processamento digital de imagens (PDI) foram realizados fatiamentos e criadas de classes de declividade e hipsométricas para ambos MDEs. A declividade do terreno é uma variável básica para a segmentação de áreas em praticamente todos os procedimentos de planejamento territorial e é definida como o ângulo de inclinação (zenital) da superfície do terreno em relação à horizontal. Seus valores podem variar de 0º a 90º, embora seja mais comumente expressa em porcentagem. As classes usadas no trabalho foram as da Embrapa (1999) conforme a Tabela 1. Assim, a fim de avaliar os dados frente às características geomorfológicas da região, uma vez que se trata de uma área de relevo acidentado, aplicou-se uma avaliação dos MDEs diante dos valores de declividade. Em relação às classes hipsométricas foram realizados fatiamentos de 50 em 50 metros de altitude compatível com a escala do trabalho, criando assim 9 classes. Tabela 1. Classes de Declividade Relevo Declividade (%) Plano 0 3 Suave Ondulado 3 8 Ondulado 8 20 Forte Ondulado Montanhoso Escarpado > 75 Uma das formas de analisar a exatidão altimétrica dos MDEs é através do Padrão de Exatidão Cartográfica, descrito no decreto-lei no , publicado pelo Diário Oficial da Uniao em 20/06/1984, que estabelece as Instruções Reguladoras das Normas Técnicas da Cartografia Nacional. No Capitulo II, artigo 8º, a norma relata que as cartas devem obedecer ao PEC, segundo o seguinte critério: Noventa por cento dos pontos bem definidos numa carta, quando testados no terreno, não deverão apresentar erro superior ao PEC conforme Tabela 2. A tolerância, no caso da escala 1: classe C (Tabela 3), é de 90% dos pontos obterem uma variação até de 15 m (três quartos da equidistância entre as curvas de nível) em relação aos pontos de controle. No caso da escala 1: na classe A, a tolerância é de 90% dos pontos obterem uma variação de até 25 m (metade da equidistância entre as curvas de nível) em relação aos pontos de controle que no trabalho foram as RRNN. Tabela 2. PEC e Erro Padrão Altimétrico Classe PEC Erro ou desvio padrão A 1/2 da eqüidistância das curvas 1/3 da eqüidistância das curvas B 3/5 da eqüidistância das curvas 2/5 da eqüidistância das curvas C 3/4 da eqüidistância das curvas 1/2 da eqüidistância das curvas Tabela 3. Tolerância Vertical em metros PEC Altimétrico 1/ / / Classes PEC PEC EP PEC EP PEC EP Classe A Classe B Classe C

4 Posteriormente foram utilizadas as altitudes ortométricas de 46 referências de nível (RRNN) existentes no interior da delimitação do Alto Camaquã, conforme Figura 2, visando compará-las com os valores extraídos dos MDEs ASTER e SRTM e verificar em quais classes de exatidão altimétrica os MDEs se classificam. Os relatórios das RRNN foram encontrados no banco de dados geodésicos disponibilizado no site do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE). Figura 2. Disposição das RRNN na região do Alto Camaquã 3. Resultados e Discussão Os resultados alcançados neste trabalho demonstram que as diferenças de altitude entre o MDE do ASTER e SRTM possuem média de 7,39 m, sendo a menor 0 e a maior 37 em valores absolutos. O MDE do ASTER apresentou valor mínimo de 45 metros e máximo de 476 metros, enquanto que o MDE do SRTM apresentou valor mínimo de 67 metros e máxima de 477 metros. Quando se comparou os valores obtidos dos MDEs em relação o conjunto de RRNN do IBGE, observou-se que o ASTER apresentou diferença média de 10,46 m, enquanto o SRTM apresentou diferença média de 12,42 m conforme Tabela 4. Tabela 4. Diferenças Absolutas entre os MDEs e as RRNN. Diferença Mínimo Máximo Média Desvio EMQ Altitude (m) (m) (m) Padrão (m) (m) ASTER-SRTM RRNN-ASTER RRNN-SRTM Quando se criou as classes de declividade observou-se uma expressiva diferença entre os modelos ASTER e SRTM na definição das classes Tabela 5. No caso do ASTER, área 4104

5 classificada como plana foi de 5,18 % enquanto que no SRTM foi de 19,87 %, o mesmo ocorreu com a classe de declividade ondulada, onde o ASTER considerou 51,70 % da área nesta classe, enquanto que o SRTM somente 41,43 %. O mapa de declividade forneceu informações do gradiente altimétrico do terreno, servindo como base para identificação de vertentes e encostas. Em termos gerais, os modelos têm se mostrados satisfatórios e de grande utilidade para delimitação de micro bacias hidrográficas, entre outras aplicações. Conforme Carvalho e Latrubesse (2004) os resultados da área de planície do SRTM representam valores que não correspondem à realidade da drenagem, onde a realidade é mascarada pela suavização gerada no processamento automático em função da resolução do sensor. No caso do presente trabalho isso acarretou um superestimação do valor de áreas planas no território. Ratificando essa constatação, opostamente pode-se observar que nas declividades maiores o SRTM as subestimou em relação aos valores encontrados pelo ASTER. Para análises em escalas de 1: ou menores, a reamostragem dos dados não é explicitamente necessária, porém para estudos regionais o volume de dados torna-se demasiado denso para o detalhe exigido, sendo recomendável a reamostragem para a escala de trabalho. Tabela 5. Classes de declividade ASTER SRTM Declividade Área km² % Área km² % 0 a 3 % - Plano % % 3 a 8 % - Suave Ondulado % % 8 a 20 % - Ondulado % % 20 a 45 % - Forte Ondulado % % 45 a 75 % - Montanhoso % % > 75 % - Escarpado % % Com relação ao fatiamento em classes hipsométricas, os MDEs apresentaram pouca diferença absolutas quando considerado a área total do estudo conforme a Tabela 6, todavia quando se faz um recorte para demonstrar uma área menor e com declividade acentuada é possível observar que pela melhor resolução espacial, o MDE ASTER consegue definir com maior precisão as classes hipsométricas Figura 3. Tabela 6. Classes hipsométricas ASTER SRTM Altitudes Área km² % Área km² % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 4105

6 a) b) Figura 3. Recorte do fatiamento em classes hipsométricas, (a) SRTM, (b) ASTER Como resultado da avaliação altimétrica utilizando o padrão do PEC, o MDE ASTER foi aprovado em todas as classes nas escalas 1: e 1: , todavia no SRTM apenas 87.0% dos pontos obtiveram diferença menor do que 25 m, abaixo dos 90% exigidos pelo PEC, na escala de 1: sendo que na escala 1: também foi aprovado em todas as classes. Alguns estudos apontam a precisão vertical do modelo SRTM como sendo compatíveis com a escala de 1: na classe A do PEC conforme Santos (2005) e Barros (2006), todavia no presente estudo dos 46 pontos testados, apenas 87% tiveram diferença menor do que o especificado pelo PEC, conforme Tabela 7. Como possível causa desta ocorrência, pode-se considerar a não homogeneidade na distribuição dos pontos de controle RRNN na área de estudo e a predominância de áreas onduladas na região do estudo. Tabela 7 Percentual de pontos que atenderam ao PEC. ASTER SRTM CLASSE PEC 1/ / / / / / A 60.9% 95.7% 100.0% 56.5% 87.0% 100.0% B 65.2% 100.0% 100.0% 60.9% 91.3% 100.0% C 71.7% 100.0% 100.0% 67.4% 97.8% 100.0% 4106

7 No estudo, considerando que aproximadamente 75% da área total encontra-se em região com relevo suave ondulado e ondulado, conforme dados do MDE ASTER, os modelos SRTM e ASTER atenderam satisfatoriamente aos padrões do PEC, apesar do desempenho ligeiramente superior dos dados ASTER. 5. Conclusões Os mapas de declividade e hipsométricos foram úteis na identificação das diferenças topográficas na Bacia do rio Camaquã e sua relação com as geomorfologia existente. Este estudo concluiu pela boa qualificação do MDE do ASTER e SRTM para representar a superfície. Os MDEs apresentaram elevada correlação com as cartas topográficas oficiais em escala compatível. É importante citar que a interferometria pode levar a melhores resultados do que a estereoscopia. Por outro lado, a vantagem dos dados ASTER em relação a dados como os do SRTM está na maior resolução espacial. Os resultados ainda são preliminares e novos testes deverão ser efetuados, inclusive no intuito de efetuar uma avaliação planimétrica dos MDEs. A potencialidade de aplicações dos modelos está relacionada com a sua resolução espacial horizontal e vertical, o que determina a escala e área para a qual poderão ser utilizados. Os MDEs comparados divergem em distintos aspectos, apresentando vantagens e limitações. O MDE ASTER tem maior resolução espacial, porém apresenta certa descontinuidade em algumas áreas, além de aparentemente subestimar altitudes de locais mais elevados. O MDE SRTM apresenta maior continuidade das informações que o MDE ASTER, todavia em função da sua resolução, apresenta limitações de uso para áreas pequenas, sendo relativamente mais adequado para áreas extensas. O MDE ASTER melhorou a resolução das informações, considerando principalmente locais em que o relevo é mais acidentado. Modelos digitais de elevação apresentam diversas aplicações no ramo das geotecnologias, sendo importante avaliar vantagens e limitações de cada um visando alcançar os melhores resultados conforme o objetivo de cada trabalho. A abrangência global dos MDEs, bem como sua gratuidade, simplicidade no manuseio e qualidade são fatores que incentivam seu uso especialmente no Brasil e ainda não completou seu mapeamento sistemático nas diversas escalas necessárias. As avaliações dos MDEs ASTER s SRTM devem ser ampliadas porém pode-se considerar o presente trabalho representa um importante teste no que diz respeito a sua aplicação cartográfica. Dependo da aplicação e da viabilidade econômica, o uso dos MDEs poderiam sem considerados para a escala 1: ou menores. Agradecimentos Ao Laboratório de Estudos em Agroecologia e Recursos Naturais (LABECO) da Embrapa Pecuária Sul e aos pesquisadores Dr. José Pedro Pereira Trindade e Dr. Marcos Flávio Silva Borba pelo apoio na realização deste trabalho. Referências Bibliográficas Barros, R. S. Avaliação da Altimetria de Modelos Digitais de Elevação Obtidos a partir de Sensores Orbitais. Programa de Pós-Graduação em Geografia, Depto. de Geografia, IGEO/UFRJ, p. Tese de Doutorado - Universidade Federal do Rio de Janeiro. 4107

8 Carvalho, T.M.; Latrubesse, E.M. (2004) O uso de modelos digitais do terreno (MDT) em análises macrogeomorfológicas: o casa da bacia hidrográfica do Araguaia. Revista Brasileira de Geomorfologia, 5(1):85-93p. CONCAR. Comissão Nacional de Cartografia: Instruções Reguladoras das Normas Técnicas da Cartografia Nacional, Decreto n de 20 de junho de Acesso em :10.out Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária EMBRAPA. Sistema brasileiro de classificação de solos. Brasília, Serviço de Produção de Informação, p.0 Jensen, J.R. Sensoriamento remoto do ambiente: uma perspectiva em recursos terrestres. São José dos Campos: Parêntese, p. Miranda, E.E Brasil em Relevo. Embrapa Monitoramento por Satélite, Campinas. Rodriguez, E.; Morris, C.H.; Belz, J.E A global assessment of the SRTM performance. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, v.72, p Santos, P. R. A. dos. Avaliação da precisão vertical dos modelos SRTM para a Amazônia. Programa de Pós- Graduação em Engenharia Cartográfica, Depto. de Engenharia/IME - Instituto Militar de Engenharia, Dissertação de Mestrado IME. 4108