ANALISE ESPAÇO-TEMPORAL DA URBANIZAÇÃO NA ILHA DO MARANHÃO ATRAVÉS DA SUBTRAÇÃO DE IMAGENS MULTITEMPORAIS DE SENSORIAMENTO REMOTO

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1 ANALISE ESPAÇO-TEMPORAL DA URBANIZAÇÃO NA ILHA DO MARANHÃO ATRAVÉS DA SUBTRAÇÃO DE IMAGENS MULTITEMPORAIS DE SENSORIAMENTO REMOTO Cláudio José da Silva de Sousa¹ Karina Suzana Pinheiro Costa 1 (karina@cecen.uema.br) Bruno Mantovani Martins¹ (bruno@cecen.uema.br) Michele Mendes Nogueira¹ (michele@cecen.uema.br) ¹Universidade Estadual do Maranhão Cidade Universitária Paulo VI, S/N, Tirirical, , São Luís/MA Este trabalho tem como objetivo geral analisar a dinâmica o processo de urbanização na Ilha do Maranhão através da subtração entre pares de imagens multi-temporais de Sensoriamento Remoto, correspondentes às datas de 20/06/1984 e 10/09/2008, do Satélite TM/Landsat-5. Para tanto, no Sistema de Processamento de Informações Georreferenciadas (SPRING), v , Windows, foi concebido o banco de dados Ilha, dentro do qual foram definidos o projeto desmatamento e o modelo de dados inicial. Em seguida, as imagens orbitais de Sensoriamento Remoto, de 20/06/1984 e 10/09/2008, nas bandas 3, 4 e 5, foram corrigidas geometricamente empregando-se o registro imagem-carta e imagem-imagem, respectivamente. Por serem de datas diferentes, as imagens foram submetidas à correção dos efeitos atmosféricos através do Método proposto por Chaves (1988) e retificadas empregando o Método da Uniformização da Média e Variâncias (FONSECA, 2003). Visando detectar o crescimento das áreas urbanas, procedeu-se à subtração entre pares de imagens correspondentes à banda espectral do vermelho, devido à elevada refletância dos alvos urbanos nessa região do espectro. Os níveis de cinza da imagem-subtração foram agrupadas segundos as classes mudança (não edificadas e expansão urbana) e não mudança, considerando-se como áreas de mudança àquelas distantes de um desvio padrão no entrono da média dos níveis de cinza. Ao final, foi gerado o mapa temático cujas classes foram quantificadas segundo os municípios e as principais bacias hidrográficas que compõem a Ilha do Maranhão. Através desse mapa constatou-se que o principal vetor crescimento urbano tendeu para a porção nordeste da Ilha. Quanto às bacias hidrográficas, a que apresentou maior taxa de urbanização foi a do rio Paciência. Palavras-chave: Urbanização, detecção de mudanças, São Luis-MA. 1 INTRODUÇÃO Em face do crescente processo de urbanização verificado na Ilha do Maranhão, alavancada a partir de 1965, com a Urbanização Modernista da cidade se São Luis, seguida da mudança do seu eixo de expansão (BURNETT, 2002), e as suas conseqüências sobre as alterações na paisagem natural da ilha, este trabalho tem por objetivo geral objetivo geral analisar a dinâmica do processo de urbanização da Ilha do Maranhão entre as datas de 1984 e Especificamente pretende-se: Detectar as mudanças no padrão de cobertura do solo entre as datas de 20/06/1984 e 10/09/2008, através da subtração entre pares de imagens do sensor TM/Landsat-5 correspondente à banda espectral do vermelho; Identificar a natureza das mudanças através da classificação das imagens subtração; Quantificar a extensões das mudanças verificadas entre o período de aquisição das imagens. 1

2 2 METODOLOGIA No Sistema de Processamento de Informações Georrefereciadas (Spring), v Windows foi definido o banco de dados Ilha, dentro do qual foi definido o projeto Urbanização. Em seguida, foi definido o esquema conceitual de dados inicial mediante a criação das categorias de dados e planos de informação. As cartas topográficas digitais foram corrigidas geometricamente, mediante o registro via teclado. Para cada uma, foram criados quatro pontos de controle, cujas coordenadas foram definidas através dos cruzamentos das quadrículas. As cartas topográficas foram importadas para projetos correspondentes aos seus nomes, dentro do banco de dados Base Cartográfica no Spring. A imagem orbital, referente à órbita-ponto, , de 20/06/1984, foi corrigida geometricamente, mediante o registro imagem-carta. Neste procedimento, as cartas digitais foram utilizadas como referência, utilizando nove pontos de controle, distribuídos uniformemente sobre a imagem. Em seguida, procedeu-se à correção da imagem de 10/09/2008, tendo como referência a imagem de data mais antiga. Posteriormente, as imagens foram importadas para o banco de dados. Empregando as planilhas desenvolvidas por Luiz, et al. (2005), a partir do histograma da banda TM-1 das imagens de 10/09/2008 e de 20/06/1984 foram estimados os valores iniciais, que permitiram estimar o modelo de espalhamento atmosférico reinante durante a aquisição das imagens, para fins de correção dos seus efeitos sobre os valores digitais das imagens, segundo o método proposto por Chaves Jr. (1988). Com os dados das imagens: sensor, data de passagem e ângulo de elevação solar, foram definidas as equações que efetuaram a transformação dos números digitais em valores de reflectância corrigidos, em relação ao espalhamento atmosférico. Essas equações foram manipuladas através da Linguagem Espacial para Geoprocessamento Algébrico (Legal) do Spring. Os valores de reflectância corrigidos foram organizados em grades regulares, com resolução de 30x 30m, que posteriormente foram convertidas em imagens digitais. Sobre as imagens de datas distintas foi realizada a retificação radiométrica, cujo objetivo é compatibilizar as amplitudes dos níveis de cinza dos elementos de imagem em cada banda espectral de uma série multitemporal. O método utilizado foi o da Uniformização das Médias e Variâncias UMV, que segundo Fonseca et al. (2003), apresenta ótimos resultados para imagens do Landsat-5, muito próximo aos métodos mais criteriosos como o de Hall. 2

3 Para utilização do Método UMV, as imagens de 10/09/2008 e 20/06/1984 foram eleitas como de referência (R) e de ajuste (S), respectivamente. Os valores de ganho (Equação 1) e off set (Equação 2), foram aplicados à imagem de ajuste (S). Ganho = σ σ (1) R 2 2 R / S offset = µ σ µ onde: 2 R, µ S, σ R µ e 2 s respectivamente. s 2 σ S são as médias e as variâncias das imagens de referência (R) e de ajuste (S), Visando detectar o avanço da urbanização na Ilha do Maranhão, entre as datas de 10/09/2008 e 20/06/1984, foram empregadas as imagens orbitais correspondentes à região espectral do vermelho, em virtude das áreas urbanas e de solo exposto apresentarem elevada reflectância dessa radiação. Para tanto, as imagens foram submetidas à operação de subtração de imagens (CROSTA, 1992), tal como apresentado na Equação (3). ( A B) offset C = ganho + (3) onde: C = imagem-subtração; A e B = imagens correspondentes às bandas TM3 de 10/09/2004 e 20/06/1984, respectivamente. Ao término da operação de subtração os níveis de cinza assumiram valores compreendidos entre [-225, 225], o que resultou em compressão de dados e conseqüente perda de informação. Para evitar isso, foram utilizados fatores de ganho(1) e off set(128) para deslocarem os níveis de cinza à porção positiva do intervalo. A imagem subtração foi classificada segundo os limiares [0,µ-σ[, [µ-σ, µ+σ], ] µ+σ,225], correspondentes as classes temáticas áreas não edificadas, não mudanças e áreas de expansão urbana. Os limiares entre as classes de mudança e não mudança foram da ordem de um desvio padrão (σ) em torno da média (µ) (EASTMAN e FULK, 1993). Como resultado foi gerado o mapa temático de áreas de mudança, cujas classes foram quantificadas por município e por bacia hidrográfica integrante da Ilha do Maranhão. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO De acordo com o IBGE (2005 e 2008), a Ilha do Maranhão, localizada no Golfão Maranhense, é composta por quatro municípios. São Luis, que aporta a capital do Estado, apresenta uma população estimada de hab. e área de 827 km 2. São José de Ribamar e (2) 3

4 Paço do Lumiar apresentam populações estimadas em hab. e hab. distribuídas em 386km 2 e 132 km 2, respectivamente. O município de Raposa localizado no nordeste da Ilha foi desmembrado do município de Paço do Lumiar e emancipado em 10/11/1994, apresenta população estimada em hab. e área de 64km 2 Nas Figuras 1a e 1b, os municípios que compõem a Ilha do Maranhão são apresentados nas composições coloridas das imagens TM/Landsat-5, de 20/06/1984 e 10/09/2008. As tonalidades em magenta representam as áreas urbanas e de solo exposto. Em verde são destacadas as áreas de vegetação constituídas por restingas, manguezais e floresta secundária mista. a b Figura 1 Composições coloridas TM5(R), TM4(G) e TM3(B), de 20/06/1984 (a) e 10/09/2008 (b). Através da subtração entre pares de imagens da região espectral do vermelho para as datas de 20/06/1984 e 10/09/2008 foi gerado o mapa de áreas de mudanças (Figuras 3a e 3b). Foram considerados como mudanças os valores de níveis de cinza dispersos de um desvio padrão no entorno da média. A subtração de imagens de datas distintas é um método de detecção nos padrões de mudanças da cobertura, que envolve o realce de diferenças espectrais de alvos presentes em imagens multitemporais. O histograma da imagem-subtração apresenta o padrão de uma distribuição normal, onde as maiores freqüências estão relacionadas às áreas de não mudanças e as caudas as áreas de mudanças. Esses intervalos são apresentados na Figura 4. 4

5 a b Figura 3 Mapas temáticos de mudanças entre : divisão municipal (a) e bacias hidrográficas (b). Figura 4 Limiares das classes mudança e não mudança de um desvio padrão. Na situação em estudo, o primeiro intervalo [0, 112[, corresponde às áreas que apresentavam algum padrão construtivo ou com cobertura vegetal em l984 e que, em 2008, apresentaram padrão de solo exposto ou de ausência de áreas construídas. Sua maior abrangência foi verificada no município de São Luis (45,99km 2 ) e na bacia hidrográfica do rio Bacanga (21), manancial que abastece parte do centro histórico da capital (14,15km 2 ). Esse valor está relacionado à elevação da concentração de sedimentos em suspensão por ocasião da elevação de maré. As distribuições espaciais da classe não edificada (em verde) por município e por bacia hidrográfica são ilustradas nas Figuras 3a e 3b. e na Figura 5 o gráfico apresenta a distribuição em área das classes por bacia hidrográfica (a) e por município (b). 5

6 O intervalo compreendido entre [112,144] corresponde às áreas de não mudança que nas Figuras 3a e 3b aparecem em cinza. São as mais freqüentes, da ordem de 715,90 km 2, com as maiores concentrações no município de São Luis (413,01km 2 ) e nas bacias hidrográficas dos rios: Paciência (96,74km 2 ), Tibirí (95,21 km 2 ), Bacanga (82,67 km 2 ) e Santo Antonio (80,56 km 2 ). Esse comportamento pode ser verificado nas Figuras 5a e 5b. O intervalo ]144,255] representa as áreas de expansão urbana que nas Figuras 3a e 3b estão em vermelho. São feições que 1984 apresentavam algum tipo de cobertura vegetal e que em 2008 cederam lugar as áreas construídas e de solo exposto. Essa classe é mais expressiva no município de São Luis (59,03km 2 ), estendendo-se da porção central em direção ao nordeste da ilha, acompanhando o litoral, e também ao longo da BR-135, ao sul, em virtude do crescimento do distrito industrial do município. Nas bacias do Paciência (22,42km 2 ), Santo Antonio (16,10km 2 ) e Litoral Norte (13,75km 2 ) a expansão urbana ocorreu com maior intensidade devido ao crescimento unidades existentes e a criação de conjuntos habitacionais tais como Cohatrac, Maiobão, Tambaú, Jeniparana, Cidade Operária, dentre outros. Ainda, em direção ao nordeste da Ilha, a expansão deu-se em virtude do surgimento de condomínios residenciais, bem como do crescimento de bairros como Vila Luizão, Divinéia, Santa Rosa, dentre outros. 4 CONCLUSÕES Através do processamento subtrativo de imagens orbitais de Sensoriamento Remoto, correspondentes à banda de vermelho, foi detectada as mudanças ocorridas no padrão de cobertura do solo da Ilha do Maranhão; identificadas as naturezas das mudanças através da classificação da imagem-subtração segundo as classes: não edificada, não mudança e expansão urbana; medida a extensão das mudanças por município e por bacia integrante da Ilha do Maranhão e analisadas preliminarmente os agentes responsáveis pelas mesmas. Em vista disso conclui-se que a subtração de imagens orbitais é um processamento que apresentou resultados positivos no que tange a análise exploratória da urbanização na Ilha do Maranhão ao longo de 24 anos. O município de São Luis foi o que apresentou as maiores taxas das classes não edificada, não mudança e expansão. Por conseguinte, o município de Raposa surge em outro extremo com os menores valores, devido dentre outros fatores, a sua dimensão territorial e a recente data de emancipação. As maiores taxas de expansão foram identificadas da porção central em direção ao nordeste da Ilha, com um crescimento significativo em direção ao sul e ao oeste, principalmente, nos limites dos municípios: São Luis, São José de Ribamar e Paço do Lumiar. 6

7 Figura 5 Distribuição das classes temáticas do mapa de mudanças por bacia hidrográfica (a) e municípios (b). Quanto às bacias, a do Paciência apresentou as maiores taxas de não mudança seguida pelas de expansão urbana, em virtude da grande maioria dos conjuntos habitacionais criados no intervalo de 24 estarem em seu interior. Essa alteração na cobertura do solo teve seus impactos no ciclo hidrológico dessa e de outras bacias da ilha, cujas conseqüências são verificadas através do crescente número de pontos de alagamentos. Este trabalho ilustra a importância das técnicas de Processamentoo Digital de Imagens multitemporais de Sensoriamento Remoto, no monitoramento de urbanização de cidades com a conseqüente alteração da paisagem natural. 7

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BURNETT, Carlos Frederico Lago. Além do rio Anil, urbanização e desenvolvimento sustentável: estudo sobre a sustentabilidade dos tipos de urbanização na cidade de São Luis do Maranhão Dissertação (Mestrado em Desenvolvimento Urbano). Universidade Federal de Pernambuco, Recife, CHAVEZ JR., P.S. An improved dark-object subtraction technique for atmospheric scattering correction of multispectral data. Remote Sensing of Environment, v. 24, p , CROSTA, A. P. Processamento digital de imagens de sensoriamento remoto. Campinas: IG/UNICAMP, EASTMAN, J.R., FULK, M Long sequence time series evaluation using standarized principal components. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, v.59, n.6, p , FONSECA, L.M.G.; LEONARDI, S.S.; SOUSA, S. M. Comparação do desempenho de algoritmos de normalização radiométrica de imagem de satélite. In: Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto (SBSR), 11, 2003, Belo Horizonte. Anais... São José dos Campos: INPE, Artigos, p , CD-ROM. INSITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSITICA. Malha municipal digital do Brasil. IBGE: Rio de Janeiro, INSITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSITICA. Perfil dos municípios brasileiros. IBGE: Rio de Janeiro, LUIZ, A. J. B.; GÜRTLER, S.; GLERIANI, J. M.; EPIPHANIO, J. C. N.; ROGÉRIO, C. C. Reflectância a partir de número digital de imagens ETM++. In: Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto (SBSR), 11, 2003, Belo Horizonte. Anais... São José dos Campos: INPE, Artigos, p , CD-ROM. On-line X. 8