AVALIAÇÃO DE MODELOS DIGITAL DE ELEVAÇÃO PARA APLICAÇÃO EM MAPEAMENTO DIGITAL DE SOLOS DA REGIÃO DO MUNICÍPIO DE QUATÁ/SP

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1 AVALIAÇÃO DE MODELOS DIGITAL DE ELEVAÇÃO PARA APLICAÇÃO EM MAPEAMENTO DIGITAL DE SOLOS DA REGIÃO DO MUNICÍPIO DE QUATÁ/SP Jonas de Assis Cinquini 1, Jener Fernando Leite de Moraes 2, Ricardo Marques Coelho 3 1 Geógrafo, Mestrando, IAC, Campinas-SP, jonas.cinquini@gmail.com 2 Engº Agrônomo, Pesquisador, IAC, Campinas-SP, jfmoraes@iac.sp.gov.br 3 Agrônomo, Pesquisador, IAC, Campinas-SP, rmcoelho@iac.sp.gov.br RESUMO: Em ambientes de Sistema de Informações Geográficas, o Modelo Digital de Elevação (MDE) é a principal fonte de informação para obtenção dos parâmetros morfométricos do terreno que serão utilizados na predição do mapeamento digital de solos. Nesse contexto o presente estudo tem como objetivo avaliar Modelos Digitais de Elevação de diferentes fontes, na região do município de Quatá/SP, para mapeamento digital de solos. Foi elaborado um banco de dados geográfico no SIG ILWIS 3.3 projetado para o sistema de coordenadas geográfico UTM WGS84 contendo: 1999 pontos de altitude obtidos por GPS espalhados pela área de estudo; limite da área de estudo; quatro cartas topográficas do IBGE na escala 1:50.000; MDE obtido no sítio digital do projeto Topodata; e MDE do sensor ASTER. Após mosaico e vetorização das cartas topográficas do IBGE, o MDE das cartas topográficas foram obtidos pela interpolação das isolinhas de altitude. Os MDEs foram pré processados visando eliminar dados inconsistentes. A qualidade dos MDEs foi verificada pelo cálculo do RMSE da diferença entre os valores de altitude dos MDEs com valores obtidos com GPS em campo, e também comparação descritivas entre valores altimétricos dos modelos de elevação, e diferença entre MDEs e o MDE das cartas topográficas. Os valores de RMSE dos MDEs do ASTER, Topodata e Cartas foram respectivamente 11,42, 11,26 e 12,40 metros respectivamente, considerados satisfatório para a escala de trabalho, tipo de terreno e aplicação, segundo a literatura. Portanto o MDE melhor qualificado segundo avaliação foi o Topodata. PALAVRAS-CHAVE: Modelo Digital de Elevação, Mapeamento Digital de Solos, Geoprocessamento. INTRODUÇÃO: O Modelo Digital de Elevação (MDE), também referido como Modelo Digital do Terreno (MDT), é uma representação digital da topografia da terra. Um exemplo é o mapa de elevação representado por um conjunto de pontos em um espaço cartesiano atribuído a um valor de altitude aproximado da superfície da terra. Levando em consideração que o MDE implica na informação de elevação de maneira contínua em toda a superfície da área de estudo (HENGL et al., 2003). A altitude tem sido reconhecida como uma das variáveis essenciais e fundamentais em Sistema de Informações Geográficas (ATKINSON, 2002), esse fato devido a importância do MDE na derivação de atributos topográficos, esses que são fonte de muitas variáveis aplicadas na caracterização de unidades da paisagem. O desenvolvimento de solos são resposta da ação hidrológica e processos erosivos na paisagem (VALERIANO, 2003). No entanto, a vasta aplicação de MDEs reflete na sua utilização sem seus devidos cuidados. As matrizes de dados altimétricos apresentam erros em seu processo de criação, seja automático ou manual (FELICÍSIMO, 1994). Para Oksanen 2005, erros na criação dos modelos de elevação sempre ocorrerão, e deverão ser identificados e corrigidos ou minimizados, porém a medida em que a modelagem avança com posteriores análises, interpretações e aplicações, a incerteza dos dados criados e manipulados aumenta. Portanto é de fundamental importância o conhecimento da característica dessa incerteza e minimizar o máximo possível do erro no início da modelagem. MATERIAL E MÉTODOS: A área de estudo localiza-se no oeste do estado de São Paulo, entre as latitudes 22 e sul e longitudes e 51, pertencendo à quatro cartas topográficas do IBGE com escala 1:50.000: Rancharia, João Ramalho, Quatá e Paraguaçu Paulista (Figura 1). 187

2 Figura 1. Localização geográfica da área de estudo com o limite das cartas topográficas 1: (1- Rancharia, 2-Quatá, 3-joão Ramalho, 4-Paraguaçu Paulista) e pontos de cotas altimétricas. Para realização do estudo foi elaborado um banco de dados georreferenciado no sistema de coordenadas projetado UTM WGS84 no SIG ILWIS 3.3 e ArcGIS 9.3. O banco de dados contém dados no formato vetorial: pontos de cotas altimétrica coletados por GPS em campo e limite da área de estudo. E matricial: cartas topográficas na escala 1: obtidas no sítio digital do IBGE (IBGE, 2013) com informações de curvas de nível espaçadas em 20 metros, corpos d água e cotas altimétricas; MDE com resolução espacial de 30 metros obtido no sítio digital do projeto Topodata (TOPODATA, 2013); e imagem com informações altimétricas na resolução espacial de 30 metros do sensor ASTER (NASA, 2013). As matrizes de cartas topográficas foram ajustadas espacialmente, adotado o sistema de projeção geográfico do banco de dados e reamostradas com valor do pixel igual a 30 metros no ArcGIS A vetorização das curvas de nível foi realizada de maneira automatizada pela ferramenta ArcScan. Após posterior conferência e correções dos vetores gerados, foi obtido um plano de informação vetorial de curvas de nível com atributo de valor de altitude e pontos de cota. Posteriormente todos os planos de informação foram importados no ILWIS, onde foi padronizado o sistema de projeção e recorte dos dados com base no vetor de limite da área de estudo. A obtenção do MDE a partir das cartas topográficas foi realizada pela interpolação linear dos valores de altitude em cada célula da imagem. Para refinamento do modelo de elevação foram combinados pontos com informações de cotas altimétricas existentes nas cartas topográficas à matriz de elevação recém elaborada. Antes das análises dos MDEs, foi realizado um préprocessamento dos mesmos de acordo com metodologia de Hengl et al. (2003), onde feições planas no topo de morros ou vales profundos aplainados, picos muito altos ou muito profundos, foram ajustados pela aplicação de operações estatísticas por meio de janelas pixel a pixel nas imagens. Para avaliação dos MDEs os pontos de solos coletados com GPS foram convertidos para o formato matricial, mantendo o atributo de altitude, e foram tidos como altitude de referência. O primeiro método de avaliação foi pela medida de qualidade da raiz quadrada do erro médio quadrático (RMSE) de cada matriz de dados de altitude com os pontos de GPS (equação 1). RMSE = n i=1 d i 2 n (1) Onde d é a diferença entre os pontos de altitude coletados com GPS e os MDEs e n é o número total de pontos de altitude. A operação foi realizada pela técnica de álgebra de mapas. Outro método utilizado para avaliar a qualidade dos modelos digitais de elevação foi pela comparação entre eles mesmos pela obtenção de perfis de elevação e da diferença. 188

3 Altitude (m) Anais do Simpósio Regional de Geoprocessamento e Sensoriamento Remoto - GEONORDESTE 2014 RESULTADOS E DISCUSSÃO: Os resultados do RMSE dos MDEs, bem como seus dados estatísticos, estão apresentados na Tabela 1 e mostram grande semelhança entre os valores da raiz quadrada do erro médio quadrático dos modelos de elevação originados do ASTER e do projeto TOPODATA (ambos sensores orbitais). O valor do RMSE do MDE da carta topográfica não apresentou valores muito discrepantes perante os outros modelos de elevação, porém foi o que apresentou maior valor de imprecisão, comparado aos dados de altitude obtidos pelo GPS. Tabela 1 Valores estatísticos e RMSE dos Modelos Digitais de Elevação. MDE Valor RMSE Valor Máximo Média Desvio Padrão Mínimo (metros) ASTER ,33 11,42 TOPODATA 339,33 609,73 464,12 45,61 11,26 Carta 324,07 606,78 461,28 47,53 Topográfica 12,40 Comparando os MDEs obtidos por sensores orbitais, verifica-se uma ligeira melhora do modelo obtido pelo projeto Topodata (11,26), comparado ao do sensor ASTER (11,42). Essas premissas denotam uma ligeira precisão de modelos digitais de elevação em terrenos suave-ondulado comparado aos MDEs originados das cartas topográficas. De maneira geral os valores de RMSE obtidos não são tão alarmantes para elaboração de mapeamento de solos, pois segundo Hirano et al. (2003) valores de RMSE entre 7 e 15 metros em modelos digitais de elevação oriundos do sensor ASTER são considerados adequados. Pelo tracejamento de uma linha reta transversal as variações altimétricas do MDE do Topodata (Figura 2a), ASTER e Cartas, é possível comparar ao longo da superfície de estudo os valores de altitude dos diferentes modelos (Figura 2b). Percebe-se que nas altitudes entre 380 e 450 metros a divergência do MDE gerado pela carta topográfica comparado aos outros modelos é maior, do que o observado em maiores altitudes. Perfis de Elevação MDE Aster MDE Carta Topográfica MDE Topodata (a) 350 Distância (m) (b) Figura 2 Perfil de elevação com a linha transversal desenhada sobre o MDE do Topodata (a) e o gráfico do perfis de elevação dos MDEs ASTER, Topodata e Carta Topográfica (b). Outra análise que pode ser feita é a diferença dos MDEs gerados, que é expressa em metros, onde valores positivos indicam que o MDE comparado apresenta valores maiores que o de referência, e valores negativos demonstram o contrário. A Figura 3a apresenta uma linha transversal sobre uma imagem 189

4 Diferença (m) Anais do Simpósio Regional de Geoprocessamento e Sensoriamento Remoto - GEONORDESTE 2014 classificada de diferença entre o modelo digital de elevação do Topodata e o MDE das cartas. A predominância da coloração azul na imagem é a representação dos valores positivos, enquanto que os valores nulos (valores de altitude do MDE do Topodata foram iguais ao do MDE das cartas) são representados pela coloração esbranquiçada (pequena porção da imagem) e em maior quantidade que os valores próximos a zero, porém menor que os valores positivos, as colorações próximas ao marrom representam os valores negativos. Já na figura 3b a diferença anteriormente citada e a diferença entre as altitudes do MDE do ASTER com o MDE das cartas topográficas, são representadas no formato gráfico, onde no eixo y estão os valores das diferenças em metros e no eixo x a distância da linha transversal percorrida no terreno. Perfis da diferença MDE ASTER - MDE Carta MDE Carta MDE Topodata - MDE Carta (b) Distância (m) Figura 3 Perfil da diferença com a linha transversal sobre a imagem da diferença entre os valores de altitude do MDE do Topodata com o MDE das cartas (a). Representação gráfica das diferenças entre os valores de altitude dos MDEs do Topodata e Aster com o MDE das cartas topográficas (b). Os valores da diferença de altitude com maior representatividade para o MDE ASTER MDE Carta e MDE Topodata MDE Carta são positivos (90.6% e 95% respectivamente), ou seja, claramente os valores de altitude obtido pelos MDEs ASTER e Topodata são superestimados comparado ao MDE originado das cartas topográficas (a superfície representada por esses modelos é mais elevada comparada ao MDE da carta). Os valores da diferença de altitude negativos entre os modelos ASTER e Topodata com o das Cartas representam 9.3 e 4.8 % respectivamente. A média da diferença entre o MDE do ASTER e o MDE Carta é igual a 8.2 metros, e 8.9 metros para a diferença de altitude entre o modelo do Topodata e o das cartas topográficas. A metodologia apresentada para avaliar a qualidade dos MDEs foi abordada quantitativamente, ou seja, apoiado em valores de raiz quadrada do erro médio quadrático e comparações entre as medições altimétricas por método de álgebra de mapas. Vale enfatizar que para uma avaliação completa do MDE para mapeamento de solos, é necessário abordar o viés qualitativo, ou seja, avaliar os dados em termos da representação dos aspectos da superfície. CONCLUSÕES: Os MDEs oriundos de sensores remotos (ASTER e Topodata) demonstraram maior qualidade quando avaliados com referência em pontos de altitude coletados com GPS. Além da abordagem quantitativa realizada nesse estudo, é relevante avaliações qualitativas dos MDEs a serem utilizados para mapeamento digital de solos. AGRADECIMENTOS: Ao projeto Ambicana por ceder importantes dados altimétricos coletados com GPS em campo. Pós graduação do IAC, FundAg e Capes pelo apoio à pesquisa. 190

5 REFERÊNCIAS: ATKINSON, P.M. Surface Modelling: what s the point? Transactions in Geographical Information, 6. (1), p IBGE. Cartas Topográficas do Mapeamento Sistemático Brasileiro, escala 1: IBGE/DSG. Disponível em <ftp://geoftp.ibe.gov.br>. Acesso em: julho FELICÍSIMO, A. M. Parametric statistical method for erros detection in digital elevation models. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, v.49, p.29-33, HENGL, T.; GRUBER, S.; SHRESTHA, D.P. Digital Terrain Analysis in ILWIS. Lecture Notes. International Institute for Geo-Information Science & Earth Observation (ITC), Enschede. p. 56, HIRANO, A.; WELCH, R. & LANG, H. Mapping from ASTER stereo image data: DEM validation and accuracy assessment. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, v. 57, p , NASA. National Aeronautics and Space Administration. EOSDIS Nasa s Earth Observing System Data and Information System. Reverb/ECHO. Disponível em: < Acesso em julho OKSANEN, J.; SARJAKOSKI, T. Error propagation of DEM-based surface derivatives. Computer &Geosciences, v. 31, n. 8, p , VALERIANO, M. M. Curvatura vertical de vertentes em microbacias pela análise de modelos digitais de elevação. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.7, n.3, p , TOPODATA Banco de dados geomorfológicos do Brasil. Disponível em: < Acesso em: agosto