O uso da terra da bacia do ribeirão Bom Jardim-MG por meio de imagem do satélite liss3/resource

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1 O uso da terra da bacia do ribeirão Bom Jardim-MG por meio de imagem do satélite liss3/resource Mireille Paula Machado¹ Laís Naiara Gonçalves dos Reis² Dayane Zandonadi Soares² Camila Nonato Junqueira³ ¹ Universidade de Brasília UnB/IGD Campus Darcy Ribeiro, ICC Ala Central Brasília-DF, Brasil mireillegeo@gmail.com ²Universidade Federal de Uberlândia UFU/ IG Av. João Naves de Ávila, Bl. H Uberlândia-MG, Brasil lais_ungida@hotmail.com, ecodayane@yahoo.com.br ³ Universidade Federal de Uberlândia UFU/IB Campus Umuarama, Bloco 2D, Sala Uberlândia-MG, Brasil camilan.j@hotmail.com Abstract. The Indian origin satellite Liss3 Linear Imaging Self-Scanner Satellite Resource enables the acquisition of information related to vegetation, crops and characterization of plant species because it has four spectral bands: band 2 (green) from 0.52 to 0.59 µm; band 3 (red) 0.62 to 0.68 µm, band 4 (near infrared) from 0.77 to 0.86 µm band 5 (mid infrared) from 1.55 to 1.70 µm. The first scene was captured in November The study aims to verify the accuracy of geospatial technologies by using satellite image to produce a land use map. We used the software SPRING 5.2 for the Digital Image Processing (DIP) of the LISS3/RESOURCE image, orbit 329, point 091, September 7, 2010 with complete scene of 141x141 km, 23 m of spatial resolution, 24 days of revisit period and 7 bits of radiometric resolution. Currently, images are freely available by the Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). The PDI procedures used was radiometric and geometric correction followed by an automatic mapping using Bhatthacharya method. We mapped the following thematic classes: forestry, native vegetation, agriculture, pasture and water resources. To check the mapping accuracy it was used a land truth map of the study area prepared by Resende (2011) and Kappa index. As a result of this work, regarding land use, there is a predominance of predominance of agricultural activities and with regard to remote sensing techniques. Palavras-chave: remote sensing, digital image processing, kappa index, sensoriamento remoto, processamento digital de imagens, índice kappa. 1. Introdução As técnicas de Sensoriamento Remoto (SR) contribuem para a evolução dos métodos e dos materiais usados no estudo das transformações no espaço geográfico, ao passo que permitem o acesso a informações e o acompanhamento dos processos dinâmicos ocorrentes em praticamente toda a superfície terrestre, sem que haja contato físico com o mesmo. A disponibilização de tais técnicas, antes atreladas apenas ao uso militar, favoreceu o advento de muitos trabalhos acadêmicos com objetivos gerais de levantamento e classificação de cobertura vegetal e uso do solo. De acordo com Rosa (2009), o SR aliado ao Sistema de Informação Geográfica (SIG) desempenha um importante papel na organização e planejamento do espaço. As bacias hidrográficas constituem entidades naturais delimitadas por divisores topográficos e são bastante utilizadas como alvos de estudos acerca de problemas ambientais, já que representam áreas sujeitas ao processo de ocupação que por conseqüência sofrem diversos problemas ambientais. Devido à importância das bacias hidrográficas, a 8269

2 quantificação e a identificação, por meio de técnicas de geoprocessamento, das categorias de uso do solo podem ser encaradas como ferramentas valiosas no diagnóstico da qualidade ambiental da bacia. Nesse sentido, a utilização de imagens de satélite configura-se como uma fonte segura de dados espaço-temporais que auxiliam nas análises de variações no uso do solo de determinada região, permitindo avaliar, desse modo, o impacto antrópico ao longo do tempo (ROSA, 2009). A escolha da imagem e o tipo de classificação utilizada depende diretamente do produto que se deseja obter e da área de estudo em questão, sendo assim, no desenvolvimento do trabalho utilizou-se uma imagem do satélite de origem indiana LISS3 (Linear Imaging Self Scanner) Satélite - RESOURCE (com cena completa de 141x141 km, resolução espacial de 23 m, período de revisita de 24 dias e resolução radiométrica de 7 bits que possibilita a aquisição de informações relacionadas a vegetação, caracterização de culturas e espécies vegetais, pois possui 4 bandas espectrais: banda 2 (verde) 0,52-0,59µm; banda 3 (vermelho) 0,62-0,68µm; banda 4 (infravermelho próximo) 0,77-0,86µm e banda 5 (infravermelho médio) 1,55-1,70 µm. Sendo assim, o objetivo do trabalho é comprovar o aproveitamento de imagens obtidas pelo satélite LISS3/Resource na tomada e análise de dados de uso e ocupação da terra da bacia do Ribeirão Bom Jardim (MG) utilizando o classificador Bhatthacharya e adicionalmente avaliar por meio do índice de exatidão Kappa (K) a qualidade dos resultados obtidos e verificar a aplicabilidade das técnicas de geoprocessamento utilizadas no processamento digital dessas imagens a partir da comparação com um mapa de verdade terrestre. 2. Metodologia de Trabalho 2.1 Área de estudo A bacia hidrográfica do ribeirão Bom Jardim compreende parte dos municípios mineiros de Uberlândia e de Uberaba, entre as coordenadas geográficas de de latitude Sul e de longitude Oeste de Greenwich (Figura 1). Os municípios de Uberlândia e Uberaba estão inseridos na Mesorregião do Triângulo Mineiro e Alto Paranaíba que originalmente era recoberta por vegetação típica de Cerrado. No entanto, desde a década de 1970, esta região está sendo fortemente desmatada por ser uma área pioneira de expansão do agronegócio (CAVALCANTE e JOLY, 2002). Segundo Brito (2001) a área de drenagem do ribeirão Bom Jardim é de 398,54 Km², sendo sua nascente localizada próxima a rodovia BR-050, no município de Uberaba, percorridos cerca de 40 Km há a confluência com o rio Uberabinha, nos arredores da área urbana de Uberlândia. Ao todo o perímetro dessa bacia hidrográfica é de 108,848 Km. Predominantemente o clima da região é o tropical, com duas estações bem definidas, úmida e seca, devido à influência sazonal de massas de ar. Condição atmosférica semelhante à encontrada no Brasil Central, com duas estações bem definidas: uma seca, com longo período de estiagem (março a outubro), e a outra chuvosa (novembro a fevereiro) (FELTRAN FILHO, 1997). A precipitação atmosférica média anual da região gira em torno de milímetros e a temperatura média anual é de 22 C (ROSA et al., 1991). 2.2 Materiais Para o mapeamento do uso do solo da Bacia do Bom Jardim foram usadas imagem do satélite LISS3/RESSOURCE, bandas 2, 4 e 5, órbita/ponto 329/91, obtidas em 07 de setembro de 2010 com a seguinte composição: banda azul (azul), banda verde (verde) e banda VNIR (vermelho), cartas da Diretoria de Serviço Geográfico do Exército (DSG) (escala 1:25.000, projeção UTM, Datum SAD69) - Ribeirão Água Limpa: SE-22-Z-D-III-1-SE; 8270

3 Córrego da Harmonia: SE-22-Z-D-III-2-SO; Córrego do Barbosa: SE-22-Z-D-III-1-NE e Granja Planalto: SE-22-Z-D-III-2-NO. Os recursos de hardware utilizados foram um microcomputador com sistema operacional Windows XP. Utilizou-se o software de distribuição livre SPRING 5.2 desenvolvido pelo INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) (CÂMARA et al., 1996). Figura 1. Localização da bacia do Ribeirão Bom Jardim. 2.3 Procedimentos Operacionais Primeiramente foi delimitada a área de estudo em questão, bacia do Bom Jardim e em seguida foram definidas a projeção cartográfica UTM e o Datum SAD 69. A seguir foi criado um banco de dados através da importação dos dados contidos nos arquivos vetoriais da base cartográfica. A imagem de satélite foi visualizada e georreferenciada através do IMPIMA, um dos módulos do SPRING e em seguida foi realizado o processamento da imagem através das seguintes operações: Correção geométrica: as coordenadas da imagem foram relacionadas com as coordenadas geográficas do mapa base, eliminando prováveis distorções na imagem causadas no processo de formação da imagem pelo sistema sensor ou pela imprecisão dos dados de posicionamento da plataforma. Foram adquiridos pontos de controle identificados de modo preciso na imagem e no mapa para o registro da imagem, por meio das cartas topográficas do DSG na escala 1: ; Operação de contraste: com o objetivo de melhorar a qualidade da imagem foi realizado um contraste linear, que consiste numa transferência radiométrica nos pixels para aumentar a discriminação visual dos objetos presentes na imagem; Geração da composição colorida: a composição colorida banda azul (azul), banda verde (verde) e banda VNIR (vermelho), figura 2, foi gerada para a apresentação do resultado da 8271

4 alteração no contraste da imagem. A partir desta composição foi criada uma imagem sintética que possibilitou a classificação do uso da terra para a mesorregião; Segmentação da Imagem: Para a segmentação da imagem utilizou-se o método de crescimento por regiões, no qual somente as regiões adjacentes espacialmente são agrupadas. Escolheu-se o limite de similaridade 12 e o tamanho mínimo da área de cada região igual a 15 pixels; Classificação supervisionada por região: Para a classificação supervisionada da imagem segmentada utilizou-se o algoritmo Bhattacharya de classificação por região, com amostras para identificação das seguintes classes temáticas: silvicultura, vegetação nativa, agricultura, pastagem e recursos hídricos. Posteriormente, foram utilizadas as funções de mapeamento e conversão de matriz em vetor para a geração do mapa vetorial. Foi elaborada uma chave de interpretação (Tabela 1) baseada nos elementos textura e forma para auxiliar na interpretação visual da composição colorida (ROSA, 2009), para auxiliar o intérprete no processo de aquisição das amostras para treinamento da classificação automática. Tabela 1. Chave de interpretação para a imagem de composição colorida (2b4r5g) do satélite LISS3/RESSOURCE de 07/09/2010. A identificação e mapeamento das categorias do uso do solo foram realizados a partir da chave de fotointerpretação e foi possível identificar as seguintes categorias: Agricultura: áreas referentes ao cultivo de culturas de ciclo curto, colhidas anualmente e terrenos em período de pousio cultivados no ano anterior e culturas de ciclo longo entre o plantio e a remoção dos talhões, das quais são normalmente aproveitados os frutos. Pastagem: área onde a vegetação natural é constituída predominantemente de gramíneas, plantas graminóides, ervas, arbustos e árvores dispersas, com influência marcante do uso de pastoreio. Reflorestamento: enquadram-se nesta categoria as formações florestais artificiais, disciplinadas e homogêneas, constituídas de espécies exóticas como Pinus sp. e Eucalyptus sp. Vegetação: compreende vegetação natural de porte médio a baixo constituída por árvores e arbustos tortuosos (cerrado) e vegetação com predomínio do estrato herbáceo-subarbustivo com no máximo 3 m de altura, onde espécies graminóides se sobressaem (mata). Recursos Hídricos: constituem os reservatórios de água naturais ou artificiais como: açudes, represas, tanques, lagoas, etc. Realizados os procedimentos de processamento da imagem em questão, elaborou-se uma carta imagem, figura 2, e um mapa de uso do solo da Bacia do Bom Jardim, na escala de 8272

5 1:120000, utilizando o módulo SCARTA do software SPRING 5.2 Estes produtos foram exportados para o formato JPEG, através do módulo IPLOT do SPRING 4.0. Na ferramenta Validação, o software SPRING tira pontos amostrais baseados no tamanho da área aleatoriamente e aplica a comparação por meio do índice Kappa no mapa que desejase validar cartograficamente, e automaticamente é calculado esse índice. Figura 2. Carta Imagem da Bacia do Ribeirão Bom Jardim. 3. Resultados e Discussão A partir da classificação automática da imagem do satélite LISS3/RESSOURCE (figura 3) e do processo de identificação das categorias do uso do solo, elaborou-se o mapa do uso da terra da Bacia do Bom Jardim. Foram mapeadas cinco categorias de uso da terra para a Bacia do Bom Jardim, sendo que a categoria que apresentou maior predomínio foi agricultura, que ocupou 62% da bacia do Bom Jardim com uma área de 241,28 km 2 (Tabela 2, Figura 3), tal resultado é consequência da ampliação das fronteiras agrícolas e da monocultura. A seguinte classe, com maior porcentagem de ocupação foi vegetação com 24,82% (96,54 km 2 ) demonstrando a tendência 8273

6 da região em relação às atividades agrosilvipastoris que integram a exploração de lenhosas perenes como Pinus sp. e Eucalyptus sp. com culturas e pastagem. Tabela 2. Áreas ocupadas pelas categorias de uso da terra na Bacia do Bom Jardim. Figura 3. Mapa do uso da terra de 2010 da bacia do Bom Jardim. Em relação ao índice de Kappa, utilizou-se como mapa de verdade terrestre, o mapeamento realizado por Resende (2011) com base em imagem do satélite Landsat e cartas planialtimétrica do DSG (Figura 4). 8274

7 Figura 4. Bacia do Ribeirão Bom Jardim Cobertura vegetal natural e Uso da terra atual (RESENDE, T.M., 2011). Através da comparação de pontos previamente coletados foi possível comparar o mapa de verdade terrestre com o mapeamento em questão e calcular o índice Kappa (Tabela 3). Como o mapa verdade possui classes diferentes das classes geradas pelo trabalho, foi feito um agrupamento das classes do mapa verdade da seguinte forma: área úmida/mata ciliar/cerrado para vegetação natural, agricultura/agricultura irrigada para agricultura, pastagem e reflorestamento. Tabela 3. Matriz de erro ou matriz de confusão entre o mapa de verdade terrestre (RESENDE, 2011) e a classificação automática utilizando imagem LISS3/RESOURCE. *classes agrupadas conforme explicado anteriormente. O índice de Kappa (K) é determinado pela equação (1) a seguir: 8275

8 Po Pc K 1 Pc Onde Po é a concordância total e Pc é a proporção de concordância esperada. O valor obtido para o índice de Kappa para o mapeamento do uso do solo utilizando imagem LISS3/RESOURCE foi de 0,62, tal valor sugere o processamento da imagem foi realizado de maneira satisfatória e o mapeamento realizado é considerado muito bom, uma vez que apresenta valore entre 0,6 e 0,8 (ROSA, 2009). 4. Conclusão A utilização da imagem do satélite LISS3/RESOURCE aliado ao processamento de imagens com a utilização do sistema de informação geográfica SPRING foi satisfatória no mapeamento do uso da terra da bacia do Bom Jardim. O mapeamento apresentou um bom índice de exatidão temática e representou a área de estudo de maneira adequada, constituindo uma importante ferramenta para o planejamento ambiental. Referências Bibliográficas BRITO, J. L. S. Adequação das potencialidades do uso da terra na bacia do ribeirão Bom Jardim no Triângulo Mineiro: ensaio de geoprocessamento p. Tese (Doutorado em Geografia), Faculdade de Filosofia, Letras e Ciências Humanas, Universidade de São Paulo, São Paulo, CAMARA G., SOUZA R. C. M., FREITAS U.M., GARRIDO J. SPRING: Integrating remote sensingand GIS by object-oriented data modelling" Computers & Graphics, v. 20, n. 3, p , CAVALCANTI R. & JOLY C. The conservation of the Cerrados. In: OLIVEIRA P. S. & MARQUIS R. J. (Org). The Cerrado of Brazil. Ecology and natural history of a neotropical savanna. New York: Columbia University Press, p , FELTRAN FILHO, A. A estruturação das paisagens nas chapadas do oeste mineiro Tese (Doutorado em Geografia Física) - Instituto de Geografia, Universidade de São Paulo, São Paulo, p. RESENDE, T. M. Conversão de uso e potencial de estoque do carbono nos diferentes usos do solo e cobertura vegetal na bacia do Ribeirão Bom Jardim no Triângulo Mineiro (MG) p. Dissertação de Mestrado Instituto de Geografia, Universidade Federal de Uberlândia. Uberlândia, 2011, 124p. RESENDE, T. M. & ROSOLEN, V. Degradação do solo pela conversão do cerrado em pastagem natural na bacia do Ribeirão Bom Jardim (Triângulo Mineiro / MG). Ateliê Geográfico, Goiânia, v. 5, n. 13, p , ROSA, R., LIMA, S. C., ASSUNÇÃO W. L. Abordagem preliminar das condições climáticas de Uberlândia. Revista Sociedade & Natureza, Uberlândia, v.3, n. 5-6, p , ROSA, R. Introdução ao sensoriamento remoto. 7. ed. Uberlândia: EDUFU,