MAPEAMENTO DO USO E OCUPAÇÃO DO SOLO NA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO NEGRO-RS UTILIZANDO IMAGENS DE SATÉLITE DO SENSOR OLI/LANDSAT 8

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1 MAPEAMENTO DO USO E OCUPAÇÃO DO SOLO NA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO NEGRO-RS UTILIZANDO IMAGENS DE SATÉLITE DO SENSOR OLI/LANDSAT 8 EVERTON DE ALMEIDA LUCAS 1 VIVIAN TEIXEIRA ALVES BRANCO 2 CÉSAR HUEGEL RICHA³ DAVIDSON MARTINS MOREIRA 4 ALEXANDRO GULARTE SCHAFER 5 1 Universidade Federal do Pampa Unipampa, Campus Bagé /RS Laboratório de Modelagem e Simulação Computacional LMSC evertonlucas1990@hotmail.com 2 Universidade Federal do Pampa Unipampa, Campus Bagé /RS Laboratório de Modelagem e Simulação Computacional LMSC viviantabranco@gmail.com 3 Universidade Federal do Pampa Unipampa, Campus Bagé /RS Laboratório de Modelagem e Simulação Computacional LMSC cesarhuegel@live.com 4 Universidade Federal da Fronteira Sul, Campus Chapecó/SC Laboratório de Modelagem e Simulação Computacional LMSC davidson.moreira@gmail.com 5 Universidade Federal do Pampa Unipampa, Campus Bagé /RS Laboratório de Modelagem e Simulação Computacional LMSC alschafer@gmail.com RESUMO Este artigo apresenta os resultados do mapeamento do uso e ocupação do solo na bacia hidrográfica do rio Negro-RS, utilizando imagens do sensor Operational Land Imager (OLI) do satélite Landsat 8. Como a área de estudo se encontra entre duas cenas Landsat adjacentes (órbitaponto 222/82 e 223/82), a primeira etapa do trabalho consistiu na realização de uma pesquisa por imagens desse satélite, com o objetivo de identificar cenas geradas em datas próximas. As cenas escolhidas foram imageadas em 15/04/2013 (cena 222/82) e em 22/04/2013 (cena 223/82). Em seguida, procedeu-se o recorte das bandas 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8, da área referente a bacia hidrográfica, em cada cena, utilizando como referência um arquivo vetorial da bacia disponibilizado pela Secretaria Estadual do Meio Ambiente do Rio Grande do Sul (SEMA). Logo após, foram confeccionados os mosaicos de cada banda e realizada uma fusão das bandas multiespectrais com a banda pancromática (banda 8). Para a classificação supervisionada, foram definidas sete classes de uso e cobertura do solo: água, campo, agricultura, mata nativa, reflorestamento, urbano e sem classe. A classe denominada sem classe refere-se as áreas externas aos recortes das imagens. O método utilizado para a classificação foi o da distância de Mahalanobis. Para facilitar a identificação visual dos diferentes tipos de uso e cobertura do solo na etapa de treinamento do algoritmo de classificação, foi gerada uma composição colorida R4G3B2. Além disso, foram realizadas cinco saídas a campo, visando dirimir dúvidas quanto aos alvos. Os valores encontrados foram de 89% para exatidão global e de 0,82 para o índice Kappa. A partir do mosaico gerado, foi 1

2 possível verificar que as classes predominantes na bacia hidrográfica são os campos, que ocupam uma área de 1513,40km² (50,87% da área total da bacia) e as áreas de agricultura (1037,10km², 34,86% da área total da bacia). Os corpos d água ocupam 44,46km² (1,49% da área total da bacia), os reflorestamentos ocupam 65,88km² (2,21% da área total da bacia) e as áreas urbanas 29,07km² (0,98% da área total da bacia). A mata nativa ocupa 285,37km² (9,59% da área total da bacia) e encontra-se quase que exclusivamente nas margens dos principais cursos d água existentes na bacia hidrográfica do rio Negro-RS. Palavras chaves: Uso e Ocupação do Solo, Bacia Hidrográfica, Rio Negro. ABSTRACT This paper presents the results of land use and land cover mapping of the Negro river watershed, using images of the Operational Land Imager (OLI) Landsat 8 sensor. As the study area lies between two adjacent Landsat scenes (orbit-point 222/82 and 223/82), the first step of the work consisted of a search for satellite images in which two scenes were obtained in nearby dates. The selected scenes were imaged on 15/04/2013 (scene 222/82) and 22/04/2013 (scene 223/82). Then, we proceeded to cut the bands 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 and 8, the area under the watershed in each scene, using a watershed vector file of the Secretaria Estadual de Meio Ambiente do Rio Grande do Sul (SEMA) as reference. Then, we carried out the construction of mosaics and the fusion of multispectral bands with the panchromatic band in both cut scenes concerning the orbit-points 222/82 and 223/82. Seven classes of land cover and land use were defined for supervised classification: water, field, agriculture, forest, reforestation, urban, and with no class. The method used for the classification was the Mahalanobis distance. The two clipping images were classified separately. To facilitate the visual identification of the different types of land cover and land use in the "training" stage of the classification algorithm, a color composite R4G3B2 was generated. In addition, we performed five travels in the study area aiming to settle doubts about the targets. The values obtained were 89% for overall accuracy and 0.82for the Kappa index. From the mosaic generated, we found that the predominant classes in the watershed were the fields, which occupy an area of km² (50.87% of the total watershed area) and agricultural areas ( km², 34.86% of the total watershed area). Water bodies occupy km² (1.49% of the total watershed area), reforestation km² (2.21% of the total watershed area) and urban areas km² (0.98% the total watershed area). The native forest occupies km² (9.59% of the total wathershed area) and is almost exclusively along the main watercourses existing catchment area of the Negro river - RS. Keywords: Land Use and Land Cover, Watershed, Negro River 1. INTRODUÇÃO O rio Negro, no Rio Grande do Sul, é um curso d água de domínio da união, transfronteiriço. Nasce no Brasil, no município de Hulha Negra e adentra o Uruguai. Nesse país o rio Negro configura-se como um dos principais rios. Em seu curso se localizam importantes reservatórios, que formam grandes lagos artificiais para as represas de geração de energia elétrica do Uruguai. A bacia do rio Negro pertence a região hidrográfica do Uruguai, abrangendo uma área total de aproximadamente km². É a maior bacia hidrográfica do Uruguai, atravessando todo o país de norte a sul. A bacia do rio Negro que se encontra em território brasileiro (bacia do rio Negro-RS) constitui-se na unidade hidrográfica U-80, conforme divisão do Sistema Estadual de Recursos Hídricos do Rio Grande do Sul (SERH-RS), abrangendo 3.007km², o que corresponde a aproximadamente 4,25% da área total da bacia. A bacia se desenvolve no sentido nordeste-sudoeste até a fronteira com o território uruguaio, abrangendo parcialmente os municípios de Aceguá, Bagé, Candiota, Dom Pedrito e Hulha Negra. De acordo com DAEB (2007), os principais problemas encontrados atualmente na bacia do rio Negro-RS, estão relacionados: a) ao déficit hídrico; b) aos efluentes industriais e domésticos provenientes das áreas urbanas; c) aos depósitos de resíduos; d) à extração de materiais nas margens e leitos dos cursos d água; e) à ocupação de Áreas de Preservação Permanentes (APPs) por atividades rurais; f) à ocorrência de enchentes nas áreas urbanas. Dentre os problemas existentes na bacia do rio Negro-RS, o déficit hídrico apresenta destaque. Segundo Ravanello e Pante (2013), a bacia do rio Negro-RS apresenta elevada demanda hídrica para irrigação, sendo impossível atender a todos os usuários irrigantes (que correspondiam por 91,84 % da demanda hídrica, segundo dados de SEMA (2012)) no período de safra, atualmente. De acordo com DAEB (2007), ocorrem algumas falhas no atendimento das 2

3 demandas primárias (vazão ecológica) nos meses mais secos, comprometendo a vazão mínima que deve permanecer no curso d água e, conseqüentemente, as demandas secundárias (abastecimento populacional e dessedentação animal). Tendo em vistas o déficit hídrico apresentado pela bacia do rio Negro-RS, é de extrema importância a realização de estudos que proporcionem a compreensão e a previsão da hidrologia na bacia. Nesse sentido, os modelos de simulação hidrológica, aliados ao monitoramento de variáveis hidrológicas, podem auxiliar no conhecimento da bacia hidrográfica. Com base em informações atualizadas de oferta de água e demandas consuntivas, é possível realizar um diagnóstico dos principais rios, definindo áreas críticas do ponto de vista do balanço hídrico, de forma a orientar as ações de planejamento e gestão, previstas na Política Nacional de Recursos Hídricos (BRASIL, 1997). Para que seja possível aplicar um modelo hidrológico, é necessário que se tenha acesso a um grande conjunto de dados sobre a bacia hidrográfica, dentre eles a identificação do uso e da ocupação do solo. Neste contexto, este artigo apresenta os resultados do mapeamento do uso e ocupação do solo na bacia hidrográfica do rio Negro-RS, utilizando imagens do sensor Operational Land Imager (OLI) do satélite Landsat ÁREA DE ESTUDO A bacia hidrográfica do rio Negro-RS (figura 1) pertence a Região Hidrográfica do Rio Uruguai, constituindo a unidade hidrográfica U-80, conforme divisão do Sistema Estadual de Recursos Hídricos do Rio Grande do Sul (SERH- RS). Apresenta uma área de drenagem de 3.007,68 km², representando cerca de 0,78% da área total ( km²) da bacia do Rio Uruguai. Está compreendida entre as coordenadas geográficas a de latitude Sul e a de longitude Oeste, localizando-se no sudoeste do Estado, onde se desenvolve no sentido nordeste-sudoeste até a fronteira com o território uruguaio. Fig. 1. Localização da bacia hidrográfica do rio Negro-RS nos municípios. No território brasileiro, a bacia do Rio Negro abrange as nascentes deste importante curso d água, que atravessa a República do Uruguai, desaguando no rio Uruguai. Dessa forma, o rio Negro configura-se como um curso d água de domínio da União, transfronteiriço, uma vez que atravessa a fronteira do Brasil com o Uruguai. Tem como principais afluentes o arroio Bocarra, o arroio Piraizinho, o arroio Quebracho, o arroio Quebrachinho, o arroio Bajé, a Sanga Cinco Salsos, a Sanga da Caneleira, o arroio Piraí e o arroio São Luís, que faz parte da divisa do Brasil com o Uruguai. A região onde está inserida a bacia do rio Negro apresenta, segundo a classificação de Köeppen, clima tipo subtropical ou virginiano (Cfa) na maior porção da bacia (95%), pertencente à área morfoclimática denominada Escudo Sul-Riograndense-Uruguaio, com altitudes inferiores a 400 m. O restante da área (5%), localizada nas nascentes do rio Negro, apresenta clima do tipo Cfbl-Ib que também pertence à área morfoclimática do Escudo Sul-Riograndense- Uruguaio, com altitudes iguais ou superiores a 400 metros. As temperaturas médias máximas giram em torno de 24,1 C e as médias mínimas em torno de 13,1 C. A precipitação média anual em Bagé fica em torno de mm (INMET 1946 a 2006), sendo que ocorrem períodos de estiagem onde a precipitação mensal chega a ser nula, principalmente no período de novembro a março, como vem sendo registrado nos últimos anos. 3

4 A bacia do rio Negro está inserida em uma região de limite entre duas grandes províncias geotectônicas: Bacia Sedimentar do Paraná e o Escudo Cristalino. As coberturas sedimentares da Bacia do Paraná prevalecem em termos de distribuição em área aflorante, ocupando praticamente 2/3 de sua área total, principalmente nas porções de jusante.entre as intervenções antrópicas comumente encontradas na área podem ser citadas, de acordo com DAEB (2007): a proximidade das lavouras às margens dos cursos d água, à invasão de espécies exóticas em meio à vegetação nativa, o assoreamento dos cursos d água, a contaminação por efluentes líquidos advindos dos esgotos domésticos e a degradação direta da vegetação nativa, através da supressão das espécies naturalmente ocorrentes, o que ocorre de maneira mais intensa nas proximidades das zonas urbanas, principalmente de Bagé. 3. MATERIAIS E MÉTODOS A identificação do uso e ocupação do solo na bacia hidrográfica do rio Negro-RS ocorreu a partir da interpretação de imagens obtidas pelo sensor Operational Land Imager (OLI) do satélite Landsat 8, disponibilizadas pelo United States Geolocical Survey (USGS), na internet. A sequência metodológica utilizada no estudo apresentada na figura 2. Fig. 2. Fluxograma do método de trabalho A primeira etapa do trabalho consistiu na busca por cenas do sensor OLI do satélite landsat 8, da área de abrangência da bacia hidrográfica do rio Negro-RS, no serviço web do United States Geological Survey (USGS). Como a área de estudo se encontra entre duas cenas adjacentes (de órbita 222 e 223, ponto 82) buscou-se cenas que geradas em datas próximas. As cenas escolhidas foram do mês de abril de A cena de órbita 222 foi imageada no dia 15 de abril, e a cena de órbita 223 foi imageada no dia 22 de abril. Em seguida, procedeu-se o recorte das bandas 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8, da área referente à bacia hidrográfica, em cada cena, utilizando como referência o arquivo vetorial das bacias hidrográficas do estado do Rio Grande do Sul, 4

5 disponibilizado pela Secretaria Estadual do Meio Ambiente do Rio Grande do Sul (SEMA). O resultado do recorte da cena referente a banda 3 pode ser visualizado nas figuras 3a e 3b. a b Fig. 3. Áreas da bacia hidrográfica do rio Negro-RS, nos recortes das cenas 223/82 (a) e 222/82 (b). Após o recorte, foram produzidos mosaicos para cada uma das bandas espectrais e para a banda pancromática. O mosaico teve como objetivo unir os dois recortes de cena vizinhos dentro do espaço geográfico, definido pela bacia hidrográfica do Rio Negro-RS. Na figura 4, apresenta-se o mosaico da bacia hidrográfica do rio Negro-RS, referente a banda 3. Fig. 4. Mosaico da área de abrangência da bacia hidrográfica do rio Negro-RS (Banda 3). A etapa seguinte consistiu na fusão de imagens, realizada com o objetivo de gerar uma imagem que apresentasse a resolução radiométrica oriunda de imagens espectrais, com a resolução espacial da banda pancromática. No processo de fusão de imagens, foi utilizado o método de Gram-Schmidt Spectral Sharpening, que consegue apurar os dados multiespectrais das imagens de alta resolução espacial. Primeiramente, uma banda pancromática é simulada a partir das menores bandas de resolução espacial Na sequência, uma trasnformação de Gram-Schmidt é efetuada na banda pancromática e nas bandas espectrais, onde a banda pancromática simulada é empregada como primeira banda. Em seguida, a banda pancromática é trocda pela segunda banda Gram-Schmidt. Por fim, a transformação inversa de Gram-Schmidt é alicada, formando as bandas espectrais fusionadas (RSI, 2005). Na figura 5 apresenta-se o resultado da fusão realizada a partir da banda pancromática do Landsat 8 com as bandas 2, 3 e 4. 5

6 Fig. 5: Composição colorida R4G3B2. Após a realização da fusão de imagens, partiu-se para a classificação propriamente dita. De acordo com Rosa (2007), a classificação refere-se à interpretação de imagens de sensoriamento remoto auxiliada por um sistema de computador, e na sua maioria, baseia-se exclusivamente na detecção de assinaturas espectrais das classes de cobertura da terra. A classificação supervisionada realizada no âmbito desta pesquisa seguiu cinco etapas: a) sobreposição de bandas; b) definição das classes de mapeamento; c) escolha das amostras de treinamento; d) aplicação do algoritmo de classificação e; e) edição da classificação. Primeiramente foram sobrepostas as sete bandas multiespectrais em um só arquivo, utilizando a ferramenta layer stacking, do software ENVI. Em seguida, foram definidas oito classes de uso e ocupação do solo: água, agricultura, campo, mata nativa, reflorestamento, solo exposto, urbano e sem classe. A classe denominada sem classe refere-se as áreas externas aos recortes das imagens. As classes definidas, com exceção da classe solo exposto são ilustradas no quadro 1. Após a definição das classes de mapeamento, realizou-se a escolha das amostras de treinamento, em que buscou-se definir as assinaturas espectrais das classes a serem mapeadas. Foram coletados em torno de 5000 pixels para cada uma das oito classes de uso e ocupação do solo. Nesta etapa, realizou-se quatro saídas a campo. Quadro 1: Chave de interpretação utilizada no processo de classificação de imagens CLASSES FOTO Composição colorida R4G3B2 MATA NATIVA 6

7 CAMPO AGRICULTURA ÁGUA REFLORESTAMENTO URBANO 7

8 Em seguida, procedeu-se a aplicação do algoritmo de classificação supervisionada. Optou-se por utilizar o método de Distância de Mahalanobis, que se baseia na correlação entre as variáveis onde padrões distintos podem ser identificados e analisados. O resultado da classificação supervisionada usando este método está ilustrado na figura 6. Figura 6. Resultado da classificação do uso e ocupação do solo na bacia hidrográfica do rio Negro-RS. A partir da análise visual entre a imagem apresentada na figura 5 e a imagem classificada pelo método de Mahalanobis (figura 7), e com base ainda em uma saída a campo, verificou-se que houve uma confusão entre as classes Urbano e Solo exposto, na imagem classificada. Na busca por corrigir este problema, foi realizada uma edição manual da classificação. Para tanto, utilizou-se uma rotina do software usado no processo de classificação, que permite ao usuário alterar a classe de um determinado conjunto de pixels a partir de uma interface gráfica. Em um primeiro momento as áreas em que o método distância de Mahalanobis identificou como pertencendo a classe Urbano foram atribuídas à classe Solo exposto. A distinção entre as classes foi executado com êxito através da função Troca Rápida e método TR 4 vizinhos. Este modo permitiu a reclassificação rápida de áreas. Para o funcionamento deste modo é utilizado o método de crescimento, onde são identificados os pixels pertencentes à área escolhida, sendo possível definir no menu em cascata "4 vizinhos" se a vizinhança é definida por 4 ou 8 pixels. Após a realização da edição manual da imagem classificada, atribui-se todas as áreas da classe Solo exposto para a classe Agricultura. Isto se deu porque não existem áreas de solo exposto na bacia hidrográfica do rio Negro- RS. As áreas que se apresentavam como solo exposto, na imagem de abril de 2013, referiam-se a áreas destinadas ao cultivo de arroz. Em seguida, procedeu-se verificação dos valores de precisão global e do índice kappa, na matriz de confusão. Por fim, verificou-se o número de pixels atribuídos a cada classe no processo de classificação supervisionada e calculou-se a área total ocupada por cada classe de uso e ocupação do solo no interior da bacia hidrográfica do rio Negro-RS. 4. RESULTADOS A classificação supervisionada de uso e cobertura de solo, utilizando o método da distância de Mahalanobis, obteve coeficiente Kappa de valor , demonstrando assim uma excelente exatidão da classificação. Este valor de coeficiente Kappa, na classificação de Landis e Koch (1977), demonstra a exatidão da classificação como de excelente qualidade. Entretanto, dada a confusão entre as classes Urbano e Solo exposto, foi necessário recorrer a edição manual da classificação. Após a edição manual do arquivo classificado, o valor do coeficiente Kappa teve um decréscimo,passando de para Para a exatidão global, obteve-se um valor de 89%. 8

9 Na figura 7, apresenta-se o mapa de uso e ocupação do solo na bacia hidrográfica do rio Negro-RS, referente ao mês de abril de Fig. 7. Mapa de uso e ocupação do solo, na Bacia Hidrográfica do Rio Negro, em abril de Na Tabela 1, apresenta-se a quantificação da área ocupada por cada classe de uso e ocupação do solo, na bacia hidrográfica. Tabela 1. Quantificação do uso e ocupação do solo na bacia hidrográfica do Rio Negro-RS, em abril de CLASSES Porcentagem com relação à área total da bacia hidrográfics ÁREA (Km²) ÁGUA 1,49 % 44,46 AGRICULTURA 34,86% 1037,10 CAMPO NATIVO 50,87 % 1513,40 MATA NATIVA 9,59% 285,37 REFLORESTAMENTO 2,21% 65,88 URBANO BAGÉ 0,98 % 29,07 Conforme apresentado na tabela 1 e na figura 7, a classe predominante na bacia hidrográfica são os campos, ocupando uma área de 1513,40 km² (50,87% da área total da bacia), seguido da agricultura que corresponde 1037,10 km² (34,86% da área total da bacia). Nas margens dos principais cursos d água, encontra-se mata nativa, que ocupa uma área de 285,37 Km² (9,59% da área total da bacia). Os corpos d água ocupam 44,46 km² (1,49% da área total da bacia), as áreas de reflorestamento corresponde a 65,88 km² (2,21% da área total da bacia) e as áreas urbanas dos municípios de Bagé e Hulha Negra perfazem um total de 29,07 km² (0.98 da área total da bacia). 9

10 5. CONCLUSÕES A partir das técnicas de sensoriamento remoto e processamento digital de imagens (PDI), foi possível identificar os diferentes tipos de uso e ocupação do solo na bacia hidrográfica do Rio Negro-RS, para cada uma das sete classes distinguidas na área em estudo. Para a obtenção de um bom resultado com o método de distância de Mahalanobis, foi necessária a escolha de um número razoavelmente elevado de pixels para cada amostra de treinamento da classe. Além disso, a edição manual da classificação do uso e ocupação do solo foi de suma importância para a correta distinção entre as classes. A partir do mapa de uso e ocupação do solo produzido, é possível verificar que a maior parte da bacia hidrográfica é coberta por áreas de agricultura e por campos. As áreas antropizadas por uso urbano correspondem as sedes dos municípios de Bagé e de Hulha Negra. As áreas ocupadas por mata nativa estão restritas, basicamente, as áreas no entorno dos dois principais cursos d'água da bacia, o rio Negro e o arroio Piraí. Comparando o mapeamento de uso e ocupação do solo, que foi realizado para o mês de abril de 2013, com dados de 2007, encontrados na literatura, verifica-se que houve um aumento de aproximadamente 20% nas áreas de agricultura, na bacia hidrográfica, nos últimos seis anos. Isto se deve, principalmente, ao aumento das lavouras de soja, que estão ocupando áreas anteriormente ocupadas por campos. Com o objetivo de evitar ou reduzir a confusão entre as classes Solo exposto e Urbano que ocorreu durante o processo de classificação supervisionada. A próxima etapa do trabalho consiste em realizar a classificação do uso e ocupação do solo a partir do mesmo mosaico da bacia hidrográfica, do mês de abril de 2013, mas utilizando os métodos da Máxima Verossimilhança e da Máxima Verossimilhança ICM. Além disso, pretende-se realizar um estudo das alterações que ocorreram no uso e ocupação do solo, na bacia hidrográfica do rio Negro, nos últimos quarenta anos. Para tanto, serão utilizadas imagens da série Landsat, cujas primeiras imagens existentes da área de abrangência da bacia hidrográfica do rio Negro datam do ano de AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPERGS pelo incentivo através de Bolsa de Iniciação Científica e do auxílio financeiro referente ao edital pesquisador gaúcho (PqG) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Brasil. Lei no 9.433, de 8 de janeiro de Brasília Departamento de Água e Esgoto de Bagé DAEB. Caracterização e diagnóstico da bacia do rio Negro em Território Brasileiro-RS. Contrato n 0 004/2007. Bagé, Landis, J.R.; Koch, G.G. The measurement of observer agreement for categorical data. Biometrics, v.33, n.1, p , Ravanello, M. M.; Pante, A. R. Outorga de direito de uso de recursos hídricos em bacia carente de dados Rio Negro- RS. Anais do XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos. Bento Gonçalves: Rosa, R. Introdução ao Sensoriamento Remoto. Uberlância: Editora da UFU, RSI (Research Systems, Inc). ENVI User sguide. ENVI Version 4.2 August, 2005 SEMA Secretaria Estadual de Meio Ambiente. Relatório Anual sobre a Situação dos Recursos Hídricos no Estado do Rio Grande do Sul. Porto Alegre: SEMA,