UTILIZAÇÃO DE IMAGENS DA SHUTTLE RADAR TOPOGRAPHY MISSION (SRTM) PARA GERAÇÃO DE CURVAS DE NÍVEL, MAPA DE DECLIVIDADE E MODELAGEM 3D DO TERRENO Gabriella Teixeira Dias Leite 1, Larissa Porteiro Carminato 2, Sergio Vicente Denser Pamboukian 3 Resumo As informações obtidas pela Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) permitem o estudo detalhado da geomorfologia terrestre, ou seja, das variações de altitude que dão forma ao relevo que cobre a crosta terrestre. Este artigo visa descrever as utilidades decorrentes do processamento de imagens SRTM e as etapas necessárias para cada tipo de estudo do relevo terrestre. Para atingir tal objetivo, além da pesquisa bibliográfica, foram gerados mapas e modelos digitais com a ajuda de um software de geoprocessamento. O produto final deste trabalho ilustra a vasta aplicabilidade, a rapidez e o baixo custo em se tratando da utilização de imagens SRTM em projetos no campo da geografia e dos sistemas de informações geográficas. Palavras Chaves Shuttle Radar Topography Mission, SRTM, Modelo Digital do Terreno, Geomorfologia, Curvas de Nível, Mapa de Declividade. INTRODUÇÃO A agência americana National Aeronautics and Space Administration (NASA) elaborou uma missão espacial chamada Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) Missão Topográfica de Radar Transportado, lançada em 2000, com o objetivo de obter informações referentes à altimetria terrestre. Atualmente, o SRTM é considerado uma importante ferramenta para distinguir relevos de diferentes paisagens [1]. A missão conta com a tecnologia de Sensoriamento Remoto com Radar Interferométrico. Os sensores de visada vertical e lateral permitem a captura de informações de latitude, longitude e altitude, estando estes acoplados ao ônibus espacial Endeavour e a uma haste de 60 metros de comprimento [2]. A Figura 1 ilustra o sistema SRTM. FIGURA 1 SRTM: ÔNIBUS ESPACIAL ENDEAVOUR COM HASTE E CÂMERAS [3] IMAGENS SRTM O imageamento é realizado através das bandas C e X. A resolução espacial pode ser de 30 ou 90 metros, respectivamente para o SRTM-1 e SRTM-3. A imagem registra um Modelo Digital do Terreno (MDT), representado graficamente pelas coordenadas X, Y, Z [2]. O MDT descreve o revelo mediante um conjunto de medidas que definem as características geométricas do terreno. Este processo é chamado de parametrização do terreno. Os parâmetros utilizados nesse processo em questão são: elevação, declividade, curvatura, orientação e rugosidade [2]. Em uma imagem SRTM, a referência [2] explica que a percepção de relevo é garantida através do processo psicológico shade and shadows. A variação de sombra e iluminação causa a impressão de profundidade, concavidade e convexidade, como mostra a Figura 2. Este tipo de imagem também é conhecido como imagem estereoscópica. 1 Gabriella Teixeira Dias Leite, Aluna, Universidade Presbiteriana Mackenzie, Engenharia Civil, Laboratório de Geotecnologias, Rua da Consolação, 930, 01302-907, São Paulo, SP, Brasil, gaby_tdl@hotmail.com 2 Larissa Porteiro Carminato, Aluna, Universidade Presbiteriana Mackenzie, Engenharia Civil, Laboratório de Geotecnologias, Rua da Consolação, 930, 01302-907, São Paulo, SP, Brasil, lari_carminato@hotmail.com 3 Sergio Vicente Denser Pamboukian, Professor, Universidade Presbiteriana Mackenzie, Escola de Engenharia, Laboratório de Geotecnologias, Rua da Consolação, 930, 01302-907, São Paulo, SP, Brasil, sergio.pamboukian@gmail.com
baixa. Com os tons de amarelo e laranja (tons mais claros) acontece o contrário e representam os pontos do terreno onde a altitude é mais elevada. FIGURA 2 RELEVO SOMBREADO DE UM MODELO DIGITAL DO TERRENO Desse modo, é possível detectar variáveis topográficas de acordo com as formas características encontradas e as direções ortogonais referentes a uma curvatura. Podemos classificar tais variáveis como elementos topográficos. Dentre eles, podemos citar pico, cume, vale, planície, encosta, canal, entre outros [2]. As imagens SRTM são disponibilizadas via internet e podem ser obtidas gratuitamente. No site da NASA, as imagens são fornecidas na sua forma bruta, sem nenhum tipo de tratamento. Os sites da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA) e do Projeto Topodata do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) disponibilizam imagens pré-processadas com resolução espacial de 30 metros. Para cada local delimitado, podem ser baixadas informações referentes a: altitude, declividade, orientação, curva vertical, curva horizontal, relevo sombreado, forma de terreno, divisores e talvegues, entre outras. Após a aquisição da imagem, utiliza-se um software de Sistema de Informações Geográficas (SIG) para que a imagem possa ser visualizada e processada. No software Quantum GIS (QGIS) utilizado neste estudo, a imagem é acrescentada ao projeto SIG através da opção Adicionar camada raster. Se uma única imagem não for suficiente para cobrir a área de projeto, pode-se usar a opção Mosaico que permite a união de diversas cenas adjacentes. Por outro lado, se a imagem for muito grande, é possível recortar a mesma, selecionando apenas a região desejada. No SIG é possível realizar ajuste de contraste para melhorar a interpretação dos dados do terreno. Além disso, ainda é possível colorir a imagem sombreada, classificando os valores de altitude, por exemplo, segundo uma cor. Este último processo consiste em uma transformação de Banda Simples Cinza para Banda Simples Falsa-Cor. A Figura 3 representa a visualização de uma imagem SRTM no QGIS. Na parte superior, a imagem SRTM foi processada para a Banda Simples Falsa-Cor. A parte inferior ilustra o mesmo terreno na visualização 3D. Os tons de azul (mais escuros) relacionam o pixel da imagem a uma altitude FIGURA 3 VISUALIZAÇÃO DA IMAGEM SRTM EM BANDA SIMPLES FALSA-COR E DO MODELO DIGITAL DO TERRENO EM 3D NO QUANTUM GIS APLICAÇÕES No caso de estudos geomorfológicos, a aquisição de imagens do radar SRTM é de grande importância para a análise de dados, pois através destas imagens é possível gerar informações da região de interesse, como por exemplo, curvas de níveis, mapas de declividade e modelagem 3D do terreno [4]. A partir dos produtos citados, podem ser realizados estudos e análises ambientais, tanto no âmbito urbano quanto rural, tais como: regiões propícias à erosão, tendências e formas da urbanização, desenvolvimento agrícola, delimitação de rede hidrográfica, subsídio para demarcação das áreas de preservação permanente, e ainda assim ser de
grande utilidade para a engenharia no desenvolvimento de projetos de rodovias, adequações do sistema viário, construção de barragens, instalação de usinas e aterros. De acordo com a referência [5], é possível ainda gerar perfis de terreno a partir do mapa de declividade, calcular dimensão e perímetro da região de estudo, visualizar áreas de vertentes auxiliando em projetos de drenagem e áreas de assentamentos humanos. Além disso, as imagens auxiliam na elaboração de diagnósticos ambientais como localização de áreas com voçoroca e ainda quando atreladas a outras informações como precipitação de chuvas, locais com deposição irregular de resíduos podendo prever pontos de alagamento, enchentes e possíveis deslizamentos nas áreas urbanas [4]. Para extrair as curvas de nível deve-se utilizar o menu Raster > Extração > Contorno, escolher o nome do arquivo de saída, escolher o intervalo entre as curvas (10 metros, por exemplo) e escolher o nome do atributo da tabela que irá armazenar as informações de altimetria (cotas) Assim, obtém-se um contorno das curvas como ilustra a Figura 5. GERAÇÃO DE CURVAS DE NÍVEL Em cartografia, as curvas de nível são representações do relevo produzidas através da utilização de linhas imaginárias (chamadas de linhas altimétricas, quando na superfície, e linhas batimétricas, quando abaixo do nível do mar). Elas possuem o mérito de representar em uma superfície plana os desníveis e a declividade topográfica [6]. Para gerar curvas de nível, primeiramente deve-se carregar uma imagem GeoTiff com dados de Altimetria SRTM, e efetuar ajuste de contraste se necessário. É preciso converter a imagem SRTM de Coordenadas Geográficas (Latitude, Longitude e Altitude) para Coordenadas UTM (X, Y, Z), e isso é feito no QGIS através do menu Raster > Projeções > Trocar Projeção. Para que os próximos procedimentos não fiquem muito lentos, é importante cortar apenas a porção da imagem de interesse usando a ferramenta Cortador do menu Raster, opção Extração, obtendo algo semelhante à Figura 4. FIGURA 5 CONTORNO DAS CURVAS DE NÍVEL SOBREPOSTO À CAMADA SRTM O rótulo das curvas de nível pode ser adicionado através do menu Camada > Propriedades > Rótulos. Deve-se selecionar Rotular a camada com e escolher o nome do atributo usado anteriormente, assim, a imagem obtida passa a ser como na figura 6. FIGURA 4 IMAGEM SRTM UTILIZADA PARA EXTRAÇÃO DE CURVAS DE NÍVEL FIGURA 6 CURVAS DE NÍVEL COM RÓTULOS
GERAÇÃO DE MAPA DE DECLIVIDADE Em uma carta topográfica, é possível verificar a declividade através da proximidade das curvas de nível. Quando estas estiverem mais próximas, a declividade será maior e quando mais afastadas, menor. Na figura 7, é possível verificar isto, a vertente do lado esquerdo, está com as curvas mais afastadas, portanto, o relevo é mais plano (com menor declividade), já a vertente do lado direito possui uma grande declividade, pois as curvas estão muito próximas [7]. se trabalha em áreas de planícies por causa da pequena variação altimétrica existente. Tais variações não são facilmente identificáveis em alguns dos produtos disponíveis como, por exemplo, as cartas topográficas, e um levantamento preciso de pontos cotados consumiriam um tempo significativo da pesquisa, tornando a mesma inviável [9]. Em muitos casos, é a topografia do terreno, especialmente a declividade, o principal condicionador de sua capacidade de uso. Em função disto, através de manipulação numérica do MDE, pode-se obter um mapa de classes de declividades. A imagem resultante desta interpolação (Figura 8) mostra sete classes de declividades, definidas segundo os intervalos sugeridos pelo Instituto Nacional de Colonização e Reforma Agrária (INCRA) vistos na Tabela 1. FIGURA 7 A DECLIVIDADE EM UMA CARTA TOPOGRÁFICA [8] Primeiramente, para gerar um mapa de declividades é preciso converter a imagem SRTM de Coordenadas Geográficas (Latitude, Longitude e Altitude) para Coordenadas UTM (X, Y, Z), assim como foi feito para gerar curvas de nível. E para criar o mapa a partir da imagem SRTM obtida, é necessário ir ao menu Raster > Análise > MDE (Modelo Digital de Elevação). Um modelo digital de elevação é uma representação matemática da distribuição espacial de uma determinada característica vinculada a uma superfície real. A superfície é em geral contínua e o fenômeno que representa pode ser variado. Mesmo sendo mais comumente associados à altimetria, a partir da construção de um MDE também é possível calcular diretamente volumes, áreas, desenhar perfis e secções transversais, gerar imagens sombreadas ou em níveis de cinza, gerar mapas de declividade e aspecto, gerar fatiamento nos intervalos desejados e perspectivas tridimensionais [9]. Um fator complicador na geração de produtos como um MDE, é a dificuldade de levantamento dos dados para construção do mesmo. Essa dificuldade é aumentada quando FIGURA 8 MAPA DE DECLIVIDADE TABELA 1 CLASSIFICAÇÃO DE RELEVO [10] Também é possível efetuar o cálculo de área de cada classe de declividade. Para isto, é necessário reclassificar a imagem. No QGIS, a Calculadora Raster existente no menu Raster pode ser utilizada para reclassificar cada pixel da imagem segundo as classes definidas pelo INCRA
na Tabela 1. Em seguida, é necessário converter a imagem raster reclassificada para vetor. Isto pode ser feito pelo menu Raster > Conversão > Poligonizar. E assim, o cálculo da área é feito utilizando a Calculadora de Campo. PERFIL DO TERRENO Denomina-se perfil de um terreno, a linha irregular que delimita a intersecção de um plano vertical com a superfície do terreno. Este perfil no software QGIS é obtido a partir da instalação do complemento Profile Tool. Assim, para abrir a janela do perfil do terreno é necessário acessar o menu Complementos > Profile Tool > Terrain Profile e indicar a linha em que se deseja obter o perfil (Figura 9). FIGURA 9 PERFIL DO TERRENO CONCLUSÃO Neste artigo foram abordadas a missão da NASA para obtenção de imagens SRTM, suas aplicações específicas, a utilização das imagens para geração de curvas de nível, mapa de declividade e modelagem 3D do terreno e como obter as imagens gratuitamente. Em virtude dos fatos mencionados percebe-se que se abriu um amplo leque de possibilidades em estudos geomorfológicos e os modelos de elevação permitem o cálculo de variáveis topográficas com rapidez. Sendo assim, conclui-se que as imagens mostram-se como uma alternativa prática e viável ao minimizar custos e tempo na execução dos trabalhos, além de apresentarem maior nível de detalhamento. [2] CARVALHO, T. M.; BAYER, M. Utilização dos produtos da Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) no mapeamento geomorfológico do Estado de Goiás. Revista Brasileira da Geomorfologia, Ano 9, nº1. 2008. <http://ufrr.br/mepa/phocadownload/srtm%20goias.pdf>. Acesso em: 28 nov. 2014. [3] KOMUNITAS ATLAS. Shuttle Radar Topography Mission (SRTM). <http://komunitasatlas.blogspot.com.br/2011/11/shuttle-radar-topography-missionsrtm.html>. Acesso em: 28 nov. 2014. [4] BARROS, M.V.F.; POLIDORO, M.; TAKEDA, M.M.G. Geração de modelos tridimensionais através de dados do shuttle radar topography mission para subsídios no planejamento urbano e estudos geomorfológicos. VIII Encontro Nacional da Associação Nacional de Pós Graduação e Pesquisa em Geografia (ANPEGE). Curitiba, 2009. <http://www.uel.br/projetos/atlasrml/publicacoes/anais/371.pdf>. Acesso em: 24 nov. 2014. [5] FREIRE, F.; PAREDES, E. A. Aplicação do software Global Mapper 8.0 na elaboração de mapas temáticos no planejamento territorial. I Seminário de Engenharia Urbana da Universidade Estadual de Maringá. Anais... Maringá: UEM, 2007. <http://pt.scribd.com/doc/205096241/global-maper#scribd>. Acesso em: 26 dez. 2014. [6] PENA, R.A. Curvas de Nível. Brasil Escola. <http://www.brasilescola.com/geografia/curvas-nivel.htm#>. Acesso em: 28 nov. 2014. [7] NOWATZKI, Alexei. Declividade. <http://professoralexeinowatzki.webnode.com.br/geomorfologia/decli vidade/>. Acesso em: 28 nov. 2014. [8] RAW CULTURE COLLECTIVE. The bunyip. <http://rawculturecollective.wordpress.com/2011/01/18/174/#>. Acesso em 28 nov. 2014. [9] FERREIRA, G.F.; COSTA, A.P.R.; CANDEIAS, A.L.B. Análise comparativa de Modelos Digitais de Elevação. XV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto. Anais... Curitiba, 2011. <http://www.dsr.inpe.br/sbsr2011/files/p1304.pdf>. Acesso em: 25 nov. 2014. [10] INSTITUTO NACIONAL DE REFORMA AGRÁRIA (INCRA), 2006. Manual de obtenção de terras e perícia judicial. 140p. <http://www.incra.gov.br/media/servicos/publicacao/manuais_e_proc edimentos/manual%20de%20obtencao.pdf>. Acesso em: 26 dez. 2014. REFERÊNCIAS [1] VITAL, S. R. O.; SILVEIRA, T. A.; ALENCAR, H. M. Q.; FERREIRA, B. Uso de imagem SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) para o mapeamento geomorfológico na microbacia do açude Taperoá II, Paraíba, Brasil. III Simpósio Brasileiro de Ciências Geodésicas e Tecnologias da Geoinformação. Recife, 2010. <https://www.ufpe.br/cgtg/simgeoiii/iiisimgeo_cd/artigos/fotoe SR/SR_e_PDI/A_37.pdf>. Acesso em: 28 nov. 2014.