Segmentação de imagem Landsat 5 para elaboração de mapas de uso e cobertura da terra na região do Pantanal

Transcrição

1 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Segmentação de imagem Landsat 5 para elaboração de mapas de uso e cobertura da terra na região do Pantanal Edson Antonio Mengatto Junior¹ Barbara Gimenez Ortolan¹ ¹Embrapa Informática Agropecuária Av. André Tosello, Barão Geraldo {edson.junior, barbara.ortolan}@colaborador.embrapa.br Resumo: As atuações antrópicas frente aos recursos naturais tornam-se um dos principais causadores de problemas ambientais, como o desmatamento de áreas naturais. O levantamento de uso da terra pode se tornar essencial para a compreensão dos padrões de organização do espaço. A ocupação de áreas sem um conhecimento prévio de suas suscetibilidades e restrições de uso podem gerar desequilíbrios ao meio biofísico e sócio organizacional dos sistemas, que pode acarretar em prejuízos ambientais e sociais. Este trabalho teve como objetivo apresentar um método para mapeamento de áreas situadas no bioma pantanal, classificando-as como áreas naturais ou áreas antrópicas. O método consistiu na elaboração de testes de segmentação com diferentes limiares. Os limiares variam de acordo com o produto esperado. Para esta pesquisa, foi adotado os limiares de 50 de similaridade e 200 de área (pixels). Foi elaborado uma classificação de forma manual, separando as áreas naturais de áreas antrópicas. Trabalhos de campo permitem melhorar a acurácia dos dados analisados. O método se mostrou eficiente, mas para a classificação final é necessário experiência do analista para a tomada de decisão sobre as classes. Palavras-chave: segmentação, imagens digitais, bacias hidrográficas, mapeamento 48

2 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Abstract Anthropogenic actions to natural resources become a major cause of environmental problems such as deforestation of natural areas. The survey of land use may become essential for understanding the patterns of organization of space. The occupation of areas without prior knowledge of their susceptibilities and use restrictions may generate imbalances to the biophysical and socio organizational systems, which can lead to environmental and social damage. This work aims to present a method for mapping of areas in wetland biome, classifying them as natural areas or disturbed areas. The method consisted of developing segmentation tests with different thresholds. The thresholds vary with the expected product. For this research, we adopted the thresholds of 50 and 200 similarity of area (pixels). A classification was manually drawn, separating the natural areas of disturbed areas. Field work can help improve the accuracy of the data analyzed. The method is efficient, but for the final classification is necessary to experience the analyst s decision making about the classes. Key-words: segmentation, digital images, watersheds, mapping 1. Introdução As elevadas atuações antrópicas frente ao meio ambiente são fontes provocadoras de impactos ambientais. Estas pressões exercidas sobre os recursos naturais são alguns dos principais causadores de problemas ambientais. Entre estes, o desmatamento recorrente sobre áreas de grande importância biológica, devido a manutenção e conservação de espécies animais e vegetais, permeiam discussões importantes em variadas partes do mundo (Ferreira et. al. 2005, Ferreira et. al., 2006; Shimabukuro et. al., 2000). Outras pesquisas sobre desmatamento de matas ciliares em áreas de planície aluvial demonstram a importância destas áreas para a manutenção e conservação dos recursos hídricos (Hinkel, 2003; Castro, 2012). Sendo assim, o levantamento do uso da terra em uma região pode se tornar essencial para a compreensão dos padrões de organização do espaço. E para isto, técnicas de geoprocessamento auxiliam na obtenção de informações que podem ser utilizadas nesse tipo de mapeamento. O estudo do uso e ocupação da terra consiste em mapear toda a utilização da terra por parte do homem ou, quando não utilizado por este, caracterizar os tipos de categorias de vegetação natural que reveste o solo analisado, como também sua localização. Estudos de uso e cobertura da terra na atualidade tem se favorecido de técnicas avançadas de detecção e regionalização automática, como o processo de segmentação de áreas. Conforme Carpi Junior (2001), a bacia hidrográfica constitui uma unidade geográfica importante para esses estudos, fundamental para a conservação e manejo dos recursos naturais, como a água e o solo. Os problemas de uma bacia hidrográfica não podem ser tratados isoladamente, pois podem envolver sistemas fluviais em extensas áreas geográficas. As soluções dos problemas locais devem ser tomadas em consonância com as alterações ambientais e econômicas de ocupação de toda a bacia. Para Carvalho (2007), a ocupação de áreas, sem o conhecimento prévio de suas suscetibilidades e restrições de uso podem gerar desequilíbrios ao meio biofísico e sócio organizacional dos sistemas, acarretando muitas vezes, em prejuízos ambientais e sociais. Por essa razão é de fundamental importância a compreensão das relações existentes entre os componentes do sistema, não só para entender seu funcionamento, como também promover o ordenamento, ocupação e gestão sustentável dos sistemas ambientais. Christofoletti (1987) destaca a fragilidade desses sistemas ambientais, ao afirmar que ao romper o desequilíbrio do sistema natural, outros componentes do meio físico tendem a se modificar. As áreas analisadas estão inseridas no bioma do Pantanal, definida como planície sedimentar, formada no quaternário e preenchida por depósitos aluviais dos rios da Bacia do Alto Paraguai. A baixa declividade torna difícil o escoamento das águas, ocasionando no aparecimento de áreas e vegetação características destas áreas (Silva et al. 2000) Este trabalho teve como objetivo apresentar um método para mapeamento de áreas do pan- 49

3 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p tanal, localizadas na bacia do rio Miranda, MS, distinguindo-os no primeiro momento, entre áreas naturais e áreas de uso antrópico e utilizando-se de imagens do satélite Landsat 5, ano de 2011, ponto/órbita 226/074. Caracterização da área de estudos A bacia hidrográfica do rio Miranda, MS, objeto de estudo desta pesquisa, está localizada em uma área de transição entre dois diferentes biomas brasileiros, a saber: bioma Pantanal e bioma Cerrado (IBGE, 2010). No entanto, para a presente pesquisa será utilizada somente as áreas dispostas no bioma pantaneiro. Segundo Pereira (2004), a bacia hidrográfica do rio Miranda é uma das mais importantes do Mato Grosso do Sul e está inserida na Bacia do Alto Paraguai. Sua área é de aproximadamente km² e envolve 23 municípios do Estado de Mato Grosso do Sul, representando cerca de 12% da área física total do Estado. A Figura 1 permite identificar a localização da bacia do Rio Miranda, MS junto à federação nacional, bem como sua localização frente ao Estado de Mato Grosso do Sul. A mesma figura identifica ainda a área utilizada e que está inserida na bacia hidrográfica do rio Miranda, onde destacou-se parte desta bacia para a realização da segmentação que será apresentada como método de trabalho na pesquisa. 2. Material e métodos Para a realização deste trabalho, foram utilizadas imagem do satélite Landsat 5, ponto/órbita 226/074, composição R5G4B3 (cor natural), de Julho de Estas imagens estão disponibilizadas gratuitamente no site do Earth Explorer. Foi utilizado o software SPRING versão para processamento das imagens e da aplicação da técnica de segmentação. O algoritmo de segmentação está presente no SPRING e baseia-se no método de crescimento de regiões. Já o software ArcGIS, versão 9.2, foi utilizado para a elaboração dos layouts dos mapas finais derivados desta pesquisa. Os limites estaduais e municipais foram obtidos dos dados disponibilizados pelo IBGE (2010). O limite da bacia hidrográfica do rio Miranda foi obtido do projeto GeoMS para o estado de Mato Grosso do Sul, ano de 2007, na escala 1: (Silva et al., 2011a; Silva et al., 2011b). A Figura 2 permite identificar o processo de segmentação elaborado na cena Landsat. Através da figura, pode-se identificar a criação de polígonos que representam áreas diversificadas, elaboradas de forma automática. Os limiares diferenciados permitem elaborar maior quantidade de classes e áreas mínimas de mapeamento de acordo com as necessidades de mapeamento. 50

4 Anais 5º Simpósio de Geotecnologias no Pantanal, Campo Grande, MS, 22 a 26 de novembro 2014 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Figura 1. Mapa de localização da área de estudo. 51

5 Anais 5º Simpósio de Geotecnologias no Pantanal, Campo Grande, MS, 22 a 26 de novembro 2014 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Figura 2. Modelo de segmentação elaborado na área de estudos. Para a elaboração, as imagens foram realçadas exibindo novo contraste com o objetivo de permitir melhor interpretação de forma visual da imagem utilizada para a pesquisa. Sendo assim, a segmentação foi elaborada a partir da imagem realçada. Para Oliveira e Silva (2005), a segmentação é uma importante etapa na análise de imagens. Isso porque o processo de segmentação consiste em subdividir uma imagem em regiões homogêneas, considerando algumas de suas características intrínsecas, como por exemplo, o nível de cinza dos pixels e a textura, que melhor representam os objetos presentes na cena, já que o processo de segmentação está diretamente relacionado com a imagem analisada e os limiares de similaridade e área. A definição dos limiares é fundamental, pois interfere diretamente na precisão do produto final. Os limiares permitem ao usuário controlar o resultado da segmentação de uma forma interativa, necessitando da elaboração de testes para a decisão dos melhores limiares. 3. Resultados e Discussão Foram elaborados quatro testes de segmentação, com limiares diferentes e cujo objetivo foi atingir um resultado mais satisfatório. A Figura 3 demonstra as diferenças encontradas a partir de cada limiar utilizado. Portanto, a Figura 3 apresenta uma sequência contendo quatro testes elaborados, identificando-os abaixo de cada teste. Primeiramente foi elaborado o teste utilizando similaridade 100 e área (pixels) 200. No segundo momento, os limiares foram similaridade 50 e área 50. Posteriormente, foi utilizada similaridade 50 e área 200. Por fim, os limiares utilizados foram de similaridade 100 e área 50. A seleção dos melhores limiares depende principalmente do objetivo do trabalho que será 52

6 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p elaborado. Isso porque os limiares vão definir maior ou menor quantidade de áreas (através da delimitação de polígonos), ou seja, a utilização de menores limiares ocasionará em uma delimitação de maior quantidade de polígonos por área. Para este trabalho, foram selecionados limiares 50 de similaridade e 200 para área (pixels). Isso porque o objetivo final será o de elaborar o mapeamento de uso e ocupação da área delimitada pela bacia do rio Miranda. Sendo assim, o limiar selecionado foi definido a partir da análise visual dos polígonos elaborados. Isso porque estes limiares tiveram boa definição e divisão das áreas entre as regiões definidas por áreas naturais e áreas antrópicas. A partir da imagem de satélite utilizada, é possível notar diferenças nítidas entre as áreas, através da análise de textura, cor e padrão das formas encontradas na cena. Nela é possível distinguir claramente as áreas definidas por áreas naturais e áreas antrópicas. Como áreas naturais foram agrupadas todas as formações de vegetação natural. Já as áreas antrópicas são as vegetações não originais. Isto é, podem estar em qualquer sucessão, contendo altura variável e localizadas em áreas onde houve qualquer tipo de intervenção humana para algum tipo de uso e depois abandonada. Portanto, posteriormente será elaborada uma classificação de forma manual dos polígonos delimitados através do método de segmentação elaborado nesta pesquisa. No processo de interpretação, além de trabalhos de campo (projeto GeoMS) que foram realizados para reconhecimento e análise da área de estudo, foram considerados os mapeamentos derivados do Macrozoneamento (Mato Grosso do Sul, 1990) e também do PROBIO (Brasil, 2002). Os mapas foram produzidos com a mesma escala de representação visual, para facilitar a comparação entre os limiares utilizados nos testes. As grandes diferenças entre os limiares foram propositais, buscando demonstrar os diferentes produtos gerados a partir dos diferentes limiares. Através do exemplo acima, foi possível distinguir claramente as diferenças encontradas a partir da utilização de diferentes limiares. Posteriormente será elaborada uma classificação de forma manual dos polígonos delimitados através do método de segmentação elaborado nesta pesquisa. No entanto, como resultado desta pesquisa será apresentado somente a classificação parcial da divisão das áreas entre as duas classes já apresentadas: áreas naturais e áreas antrópicas. Após os testes realizados foram definidos os limiares 50 de similaridade e 200 de área (pixels) como o melhor resultado alcançado para esta produção. Esta definição se deu devido a melhor delimitação das áreas que serão posteriormente classificadas. Através da figura 3, foi possível identificar que as áreas de vegetação natural, como as áreas de mata ciliar e de pastagens naturais, foram bem delimitadas. Além destas áreas, a figura também demonstra as áreas antrópicas, definidas por áreas de pastagens desmatadas ou por áreas de solo exposto derivado de desmatamento além de áreas de produção agrícola com talhões bem definidos. 53

7 Anais 5º Simpósio de Geotecnologias no Pantanal, Campo Grande, MS, 22 a 26 de novembro 2014 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Figura 3. Limiares utilizados na elaboração da segmentação. 54

8 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p A Figura 4 demonstra o resultado parcial das áreas classificadas. Além das áreas naturais e áreas antrópicas previamente discutidas, foram ainda encontradas áreas cuja classificação gerou algum tipo de dúvida para sua classificação final, sendo denominada de áreas não classificadas, onde será necessária a utilização de outros recursos para analise e definição, como o uso de das próprias imagens derivadas do Google Earth e também da análise visual dos dados produzidos no Laboratório de Sensoriamento Remoto Aplicado à agricultura e floresta (LAF) do INPE. A análise da área situada na bacia do rio Miranda demonstra que existem muitos fragmentos de áreas naturais, mas que estão permeadas por áreas antrópicas, sendo que as áreas naturais vão se agrupar quase que exclusivamente nas áreas de mata ciliar. Já as áreas naturais são praticamente todas tomadas por áreas de pastagens derivadas de processo de desmatamento. Além disso, grande parte da proteção das áreas naturais se deve ao processo de alagamento de extensas áreas pantaneiras durante períodos bem definidos, o que dificulta a inserção de produção agrícola. A classificação de forma manual demonstra claramente o método utilizado, de associar classes de área natural a partir de áreas de mata ciliar, florestas e massas de água. Já as áreas naturais englobam áreas como solo exposto derivados de processo de produção agrícola, pastagens a partir de áreas desmatadas, agropecuária entre outros processos oriundos de atuação humana frente ao meio ambiente. O resultado de uma classificação manual exige um conhecimento prévio e experiência adequada para a definição das classes de uso e cobertura final. A relação de complexidade aumenta conforme maior quantidade de detalhes necessários para a classificação final. Sendo assim, a complexidade deste trabalho torna-se menos elevado devido a distinção de apenas duas classes já definidas. Além destas formas de análise, para uma classificação mais detalhada e de maior acurácia nos resultados, é possível a elaboração de índices de exatidão global e índice Kappa, que correlacionam a exatidão do tema mapeado nas imagens de satélite utilizada com os dados encontrados e definidos na elaboração dos mapas finais, verificando o nível de aproximação entre os dois resultados. A elaboração do método proposto permite, após a classificação final de toda a área, a quantificação destas áreas, proporcionando uma comparação entre os dados de áreas finais. Esta quantificação pode auxiliar ainda na produção de estudos para planejamento e gerenciamento das áreas, com o objetivo de se utilizar dos recursos naturais inseridos nestas áreas, mas que considerem o contexto de sustentabilidade, devido as suas características de manutenção de biodiversidade, intrínsecos ao bioma pantaneiro. Sendo assim, para uma classificação mais detalhada, há que se analisar a experiência do pesquisador e seu conhecimento sobre a área, necessitando muitas vezes, de trabalhos de campo que possam correlacionar os mapeamentos elaborados e a verdade encontrada em campo. 55

9 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Figura 4. Resultado parcial das áreas classificadas. 56

10 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Considerações finais O método proposto se mostrou eficiente. No entanto, exige maior conhecimento e experiência por parte do técnico na elaboração da classificação. Isso porque a classificação é elaborada de forma manual. As técnicas de geoprocessamento foram essenciais para a elaboração do mapa de uso e cobertura da terra. Sendo assim, recomenda-se o uso do trabalho para a derivação de novos trabalhos semelhantes. O uso de ferramentas de geotecnologias, como sistemas de informação geográfica e o sensoriamento remoto, permitem uma análise mais detalhada da área de estudo, possibilitando diagnósticos e prognósticos que orientem um planejamento com vistas a minimizar os impactos ambientais possivelmente ocorrentes na bacia. Os mapas elaborados serão posteriormente classificados de forma manual a partir das imagens e de auxílio de imagens do Google Earth, além de possíveis trabalhos de campo para sanar dúvidas pertinentes, dando continuidade ao trabalho proposto. 5. Bibliografia Brasil, Ministério do Interior. Departamento Nacional de Obras de Saneamento. Estudos hidrológicos da bacia do Alto Paraguai: relatório técnico. Rio de Janeiro, v. 1, 284 p Bragança, M. T. R. Superfícies de erosão do setor centro-oriental da bacia do rio Paracatu, no Estado de Minas Gerais. Dissertação (Mestrado em Ciências) - Universidade de São Paulo, Brasil. Conselho Nacional de Meio Ambiente. Resolução CONAMA nº 357. Dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes para o seu enquadramento, bem com estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências. Brasília: Diário Oficial da União, 17 mar Carvalho, E. M. Riscos ambientais em bacias hidrográficas: um estudo de caso da bacia do córrego fundo, Aquidauana/MS p. Dissertação (Mestrado). Universidade Federal de Mato Grosso do Sul Carpi Junior, S. C. Processos erosivos, recursos hídricos e riscos ambientais na bacia do Rio Mogiguaçu p. Tese (Doutorado). Instituto de Geociências e Ciências Exatas. Universidade Estadual Paulista. Rio Claro Castro, D. Práticas para restauração da mata ciliar. Org: Dilton de Castro; Ricardo Silva Pereira Mello e Gabriel Collares Poester. Porto Alegre. Catarse: Coletivo de Comunicação. 60 p Christofoletti, A. A significância da teoria de sistemas e, geografia física. In: Boletim de Geografia Teorética, Rio Claro, vol , n , 119:128 p., IBGE. Download de dados geográficos. Disponível em: htm. Acesso em 02 de Agosto de Ferreira, L, V.; Venticinique, E.; Almeida, S. O desmatamento na Amazônia e a importância das áreas protegidas. Estud. av. [online]. 2005, vol.19, n.53. Available from: < arttext&pid= S &lng= en&nrm=iso>. P Acesso em: 24/07/2013. Ferreira, N. C.; Ferreira JR., L. G.; Huete, A.; Ferreira, M. E. An operational deforestation mapping system using MODIS data and spatial context analysis. International Journal of Remote Sensing, Reino Unido, Hinkel, R. Vegetação ripária: funções e ecologia. In: Seminário de Hidrologia Florestal: Zonas ripárias, 1, 2003, Alfredo Wagner. Anais... Alfredo Wagner: UFSC. p Pereira, M. C. B. Bacia hidrográfica do rio Miranda: estado da arte / Mauri César Barbosa Pereira...[et al.]. Campo Grande: UCDB, p. Mato Grosso do Sul, Atlas Multirreferencial; Secretaria de Planejamento e Coordenação Geral SEPLAN, 57

11 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Campo Grande p. Silva, M.P., Mauro, R. Mourão, G. Coutinho, M. Distribuição e quantificação de classes da vegetação do Pantanal através de levantamento aéreo. Revista Brasileira de Botânica, São Paulo, V. 23, n. 2, p Silva, J. S. V.; Speranza, E. A.; Vendrusculo, L. G.; Esquerdo, J. C. D. M.; Mauro, R. A.; Bianchini, S. L.; Florence, R. O. Projeto GeoMS: melhorando o Sistema de Licenciamento Ambiental do Estado do Mato Grosso do Sul. Campinas/SP: Embrapa Informática Agropecuária, 2011(a). 64 p. Silva, J. S. V.; Pott, A.; Abdon, M. M.; Pott, V. J.; Santos, K. R. Projeto GeoMS: cobertura vegetal e uso da terra do Estado de Mato Grosso do Sul. Campinas/ SP: Embrapa Informática Agropecuária, 2011(b). 64 p. Shimabukuro, Y. E.; Duarte, V.; Mello, E. M. K.; Moreira, J. C. Apresentação da metodologia de criação do PRODES digital. Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, SP Oliveira, J. C.; Silva, J.M.F. Influência da segmentação no processo de classificação por região. In: Anais XII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Goiânia-GO,

12 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p