15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental MODELAGEM DO RELEVO A PARTIR DE FOTOGRAFIAS AÉREAS: PLANEJAMENTO DE ÁREAS SUSCETÍVEIS A DESASTRES NATURAIS - CASO DAS INUNDAÇÕES EM JAGUARI/RS Bruno Zucuni Prina 1 ; Romario Trentin 2 Resumo Este trabalho tem por objetivo apresentar o resultado de uma modelagem do relevo obtida por meio de fotografias aéreas, através da aplicação de processos fotogramétricos. A referida modelagem foi realizada no perímetro urbano do município de Jaguari/RS, visando ser uma etapa inicial de caracterização altimétrica do relevo para posteriores estudos que focarão na caracterização do zoneamento do risco à inundação nessa área. Destaca-se, que, inicialmente, serão mapeadas as áreas suscetíveis à inundação e, a apresentação do referido trabalho é de grande importância a uma inicial caracterização geral da área de estudo. Assim, por meio dos aplicativos PhotoScan e ArcGis confeccionaram todas as etapas metodológicas desse trabalho, gerando, ao final um MDE. Já que um MDE é incompatível para análise de áreas suscetíveis a inundação, por seguinte, converteu-se o MDE para um MDT. Entre os principais resultados salienta-se a geração de uma primeira modelagem do relevo na área de estudo, etapa fundamental para posteriores trabalhos. Abstract This paper aims to present the result of a modeling of the toposurface obtained through aerial photographs, through the application of photogrammetric processes. Such modeling was performed in the urban perimeter of the municipality of Jaguari/RS, aiming to be an initial step of altimetric characterization of toposurface for subsequent studies will focus on characterization of flood risk zoning in that area. Like this, which initially will be mapped areas susceptible to flooding and the presentation of this paper is of great importance to an initial general characterization of the study area. Thus, through the PhotoScan applications and ArcGis made all the methodological steps of this paper, generating the end a DEM. Since a DEM is incompatible for analysis of areas susceptible to flooding, by following, became the DEM for a DTM. Among the main results pointed out the generation of a first modeling of the toposurface in the study area, fundamental step for further papers. Palavras-Chave MDE; MDT; Fotogrametria. 1 2 Mestrando, Universidade Federal de Santa Maria, (55) 9651-9828, brunozprina@gmail.com Professor Dr., Universidade Federal de Santa Maria, (55) 9904-9087, romario.trentin@gmail.com 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1
1. INTRODUÇÃO Esse trabalho faz a apresentação de um mapeamento planialtimétrico realizado no município de Jaguari/RS, com base na ciência da fotogrametria apoiada com pontos coletados com receptores de sinal Global Navigation Satellite System (GNSS). Salienta-se, em linhas gerais, que todo o trabalho partiu da análise de 3 fotografias aéreas (obtidas) da área urbana municipal. Dessa forma, pode-se construir uma base cartográfica altimétrica muito útil e confiável para posteriores estudos nesse local. Toda a referência desse estudo fotogramétrico foi realizada por meio da coleta de dados in loco com o GNSS, sendo uma tecnologia utilizada a fim de coletar de dados homólogos (pontos GCP) entre a superfície topográfica à fotografia (do voo). A área de estudo dessa pesquisa referencia o município de Jaguari, com foco a sua área urbanizada, porém apenas a área que apresenta totalmente recoberta de estereoscopia, sendo assim, caracterizada uma parte da área urbana, se bem, que a mesma engloba áreas focos à temática desse trabalho, ou seja, áreas que há a incidência de inundações. O município de Jaguari está presente na região centro-oeste do estado do Rio Grande do Sul, mais precisamente na microrregião de Santa Maria. Seu território está localizado próximo a coordenada geográfica de 29 29'51" de latitude Sul e longitude de 54 41'32" Oeste (coordenada do centroide da área urbana). Para o entendimento desse trabalho deve-se de haver a fundamentação teórica de alguns conceitos intrínsecos as questões metodológicas a serem aqui implantadas. Assim sendo, inicialmente haverá a definição do vocábulo "fotogrametria". A fotogrametria é uma ciência utilizada, principalmente, para a obtenção e tratamento de dados (fotografias aéreas) a fim de obter-se a componente altimétrica, ou seja, a cota Z. A mesma visa a análise quantitativa de imagens, gerando ao final uma quantificação de distâncias e áreas. Temba (2000, p. 5) adiciona que a fotogrametria tem uma grande importância por realizar "medições de fotos e outras fontes de informação para determinar, de um modo geral, o posicionamento relativo de pontos". Já a metodologia de Redweik (2007) destaca a grande importância da aplicação de processos fotogramétricos na aquisição de dados primários, tal qual o exposto nesse trabalho. Uma terminologia muito utilizada no meio fotogramétrico diz a respeito da estereoscopia, a qual pode ser conceituada como uma "propriedade que estuda os métodos que permitem a visão em perspectiva, quer dizer, a percepção de objetos com todas as modificações aparentes, ou com os diversos aspectos que a sua posição e situação determinam com relação à figura e à luz" (TEMBA, 2000, p. 6). Para o processo fotogramétrico ser possível, é necessária a correlação de informações da fotografia aérea junto a pontos homólogos da superfície, ou seja, com a coleta de pontos Ground Control Points (GCP). Esses pontos são de extrema importância para obter, de pares estereoscópicos, informações altimétricas, gerando, ao final do processo, uma ortofoto. Ainda, é importante referenciar a diferenciação existente entre um Modelo Digital do Terreno (MDT) e um Modelo Digital de Elevação (MDE). Sendo assim, destaca-se que no MDE há a representação de uma superfície perturbada por todas as feições presentes no mundo real, gerando um efeito dossel, seja pela influência de fatores naturais (vegetação) ou antrópicos (carros, prédios, etc.). Portanto, salienta-se que o problema desse trabalho está contido na resolução da seguinte questão: Como criar um MDT a partir de dados de fotografias aéreas apoiada em levantamentos de dados GNSS?. Justifica-se, desse modo, entender que a modelagem da área dessa pesquisa possibilitará gerar uma caracterização topográfica precisa e confiável para posteriores análises específicas dentro desse recorte espacial, com foco a identificação das áreas de risco à inundação no município de Jaguari. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 2
Se bem, que os procedimentos metodológicos destacados nesse trabalho são primordiais para geração de uma estimativa altimétrica gradual para o perímetro urbano de Jaguari, a fim de colaborar, inclusive, com o planejamento urbano no município, por parte dos administradores públicos. Após realizada uma contextualização geral acerca da temática central desse trabalho, objetiva-se em gerar um MDT a partir do uso da fotogrametria. Especificamente tem-se o objetivo de: Coletar dados altimétricos; Tratar as informações altimétricas; Gerar um MDE da área de estudo; Converter o MDE para um MDT. 2. METODOLOGIA Antes de segmentar os procedimentos metodológicos envolvidos nesse trabalho, há de citar os aplicativos os quais foram utilizados. Assim, deve-se destacar que o principal aplicativo utilizado foi o PhotoScan, o qual foi utilizado na versão Trivial. Neste aplicativo realizou-se todo o processo de criação do MDE, por meio da correlação de pontos homólogos da fotografia aérea junto aos da superfície topográfica. Ainda, utilizou-se o aplicativo Topcon Tools, sendo de fundamental importância para a realização do pós-processamento dos dados GNSS. Neste aplicativo foi realizado todo o tratamento dos dados altimétricos, obtendo, ao final, os pontos, pós-processados, com soluções fixas, precisões milimétricas com a altitude referenciada no nível médio dos mares (altitude ortométrica). Quanto aos equipamentos utilizados, deve-se destacar o receptor de sinal GNSS, modelo Hiper, marca Topcon, o qual obtém informações das constelações Global Positioning System (GPS) e Global Orbiting Navigation Sattelite System (GLONASS) concomitantemente. A fim de identificar os procedimentos teórico-práticos implementados nesse trabalho, os mesmos, a seguir, estarão endereçados cronologicamente. A primeira etapa desse trabalho consistiu na obtenção das fotografias aéreas, as quais foram coletadas em agosto de 2003, por uma empresa de topografia e georreferenciamento da cidade de Santa Maria/RS (PROCAMPO Levantamentos Rurais). Sendo assim, partiu-se para a coleta de informações, as quais teriam correlação entre a fotografia aérea e a superfície topográfica. As fotografias foram obtidas por meio de uma câmera fotográfica da marca Hasselblad, de distância focal de 50 mm. Ainda, referenciando as fotografias aéreas, deve-se destacar que no total, havia 3 fotografias (2 pares estereoscópicos) e toda a área, que, de fato, era importante para o referido trabalho, apresentava-se com sobreposição (porém não toda a área urbana). Um fato a ser destacado, é que todo o processo de obtenção de uma modelagem do relevo a partir da fotogrametria gera, ao final, um MDE. Sabe-se que essa modelagem não é útil para trabalhar com inundações, visto a necessidade de obter a altitude referente ao nível da superfície topográfica, fazendo, dessa forma, a necessidade de converter a modelagem inicial (o MDE) para um MDT. As principais feições utilizadas para obter essa correlação, foram as esquinas das ruas e cantos de calçadas, pelo fato de serem feições terrestres que não se alteraram no transcorrer dos anos (Figura 1), no caso da data de obtenção das imagens (2003) a até a data de coleta dos dados com o GNSS (2014 e 2015). Destaca-se, que nessa etapa, foi utilizado o GNSS, com a aplicação do posicionamento relativo estático-rápido, com tempo de coleta aproximado a 2 minutos (e taxa de coleta de 2 segundos) para cada ponto. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 3
Figura 1. Coleta de pontos homólogos. A próxima etapa persistiu na importação dos dados para o meio digital, e, por seguinte a realização do pós-processamento, etapa realizada por meio do aplicativo Topcon Tools. Todos os pontos pós-processados resultaram, ao final, em precisões milimétricas e com solução fixa (Figura 2). Para prosseguir com as análises, nesse momento com o PhotoScan, inseriram-se algumas informações de grande importância para um processo fotogramétrico. Entre as informações, citam-se: as coordenadas centrais das imagens (calculada após um breve georreferenciamento), o tamanho do pixel das imagens e, por fim, as coordenadas pósprocessadas (do Topcon Tools). Figura 2. Ilustração do pós-processamento realizado. Nessa etapa de coleta de dados a campo, ao total, foram obtidos 115 pontos, porém, apenas 17 desses foram utilizados no processo fotogramétrico, pelo fato de que o adensamento de pontos não era proporcional a qualidade final da ortorretificação da imagem (do MDE). Já que essa proporção não existiu, preferiu-se, em utilizar apenas os pontos disponibilizados que representassem, homogeneamente, a área de estudo, bem como àqueles que pudessem ser melhores identificados, a fim de minimizar os prováveis erros. Uma prévia da disposição espacial dos pontos apresenta-se na Figura 3. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 4
Assim, obteve-se um erro, no ajustamento dos dados, de 1,986 pixels ou 0,739 m. Deve-se analisar que muitos trabalhos que visam trabalhar com áreas de riscos, em áreas urbanas, adotam a escala de mapeamento de 1/5000. O erro cartográfico, para essa escala, considerando a acuidade visual de 0,2 mm, é de 1 m. Logo, a precisão alcançada no uso da fotogrametria (0,739 m) está de acordo com a estimativa posicional adotada, como padrão, pela comunidade científica. Figura 3. Processo fotogramétrica no aplicativo PhotoScan. Como esse modelo foi gerado a partir de fotografias aéreas, utilizando da fotogrametria, o mesmo, gerou um MDE, ou seja, todas as feições existentes do "mundo real" estiveram representadas nesse modelo, sejam elas: as casas, prédios, árvores, etc., etapa realizada por meio do aplicativo ArcGIS. Sendo assim, para gerar o primeiro MDT, levando em consideração o terreno e não a superfície, foi realizada a extração das áreas consideradas úteis do MDE (Clip), como por exemplo, em alguns locais sem vegetação (campo nativo) e/ou sem residências (arruamento e calçadas). Essa etapa, de escolha dos locais, procedeu-se por meio da vetorização manual. Deve-se salientar, também, que, automaticamente, foram excluídas, desse primeiro modelo, as áreas com altas declividades (superior a 15%), visto, que eram áreas caracterizadas pelos locais com o encontro do lado de um prédio (ou vegetação) ao nível do terreno, por exemplo. As áreas das bordas do modelo também foram excluídas, visto que as mesmas, por falta de sobreposição das fotografias, resultaram em dados discrepantes para com a verdade do terreno. Outra exclusão de informação do MDE consistiu nas áreas próximas onde havia pontos coletados com o GNSS. Assim sendo, as áreas englobadas em um raio de 10 m de cada ponto, foram excluídas. Por fim, após várias áreas excluídas do MDE, uniram as áreas de "sobras", as quais representavam a superfície terrestre, e, dessa forma, junto aos pontos coletados com o GNSS, e a rede de drenagem vetorizada, gerou-se o MDT da área de estudo. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 5
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Com a aplicação de todo o processo metodológico, obteve-se, ao final, a modelagem da área urbanizada do município de Jaguari. Assim, em primeira instância, deve-se destacar, que o primeiro modelo gerado pelo PhotoScan foi um MDE, conforme exposto a seguir, na Figura 4. Figura 4. MDE gerado junto ao aplicativo PhotoScan com apoio de pontos coletados com a tecnologia GNSS. Porém, há muito claro a quantidade de áreas mal interpoladas, principalmente, quando analisou-se o MDE gerado junto a fotografia aérea. Nessa etapa verificaram-se que os prédios e as áreas com adensamento vegetacional, criaram estruturas topográficas não existentes. Com isso, conforme detalhado na etapa metodológica, excluíram-se as áreas desnecessárias, que possuíam interferência do efeito dossel, junto as áreas que apresentavam altas discrepâncias para com a realidade topográfica (bordas) e, dessa forma, conforme Figura 5, há a representação das áreas úteis do MDE. Assim, para gerar o MDT utilizou-se o algoritmo de interpolação ANUDEM desenvolvido por Hutchinson (1989 apud SILVEIRA et al, 2014), disposto no aplicativo ArcGIS, denominado Topo to Raster (Figura 6), por ser um algoritmo hidrologicamente consistente. Para interpolação utilizaram-se os pontos selecionados do MDE (Raster to Point), a malha hidrográfica (vetorizada) e os pontos coletados com o GNSS. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 6
Figura 5. Áreas utilizadas do MDE. Figura 6. MDT gerado a partir da extração das áreas úteis do MDE inicial. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 7
4. CONCLUSÕES Conclui-se com o referido trabalho que as ferramentas de geoprocessamento mostraramse ideais para um bom planejamento do território, tanto com a fotogrametria como com o GNSS. Deve-se destacar, que para a geração da modelagem final da referida área, coletaram-se vários outros pontos obtidos pelo GNSS, principalmente nas áreas com as maiores probabilidades de ocorrerem inundações, visto que, de fato, são essas as áreas importantes a serem analisadas no referido trabalho. Salienta-se, que todo o tratamento das informações altimétricas foram consideradas de grande importância, pois, com a exclusão das áreas como o efeito dossel, das bordas do MDE inicial, com declividade superior a 15% e as próximas dos pontos GNSS, geraram, ao final um MDT de grande importância aos futuros trabalhos a serem realizados na área de estudo. AGRADECIMENTOS Agradecemos a CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) pela concessão de bolsa de estudos ao segundo autor. BIBLIOGRAFIA REDWEIK, P. Fotogrametria Aérea. Departamento de Engenharia Geográfica, Geofísica e Energia - Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, 2007. Disponível em: <http://enggeografica.fc.ul.pt/ficheiros/apoio_aulas/fotogrametria%20aerea_1.pdf>. Acesso em 22 mar.2015. SILVEIRA, C. T.; FIORI, A. P. SCHILIPACK, P.; DIAS, S. M.. Mapeamento preliminar da suscetibilidade natural a movimentos de massa da Serra do Mar paranaense apoiado na análise digital do relevo. Revista Brasileira de Geomorfologia, v. 15, p. 03-22, 2014. Disponível em: http://www.lsie.unb.br/rbg/index.php/rbg/article/view/366/355; Série: 01; ISSN/ISBN: 15191540. TEMBA, P. Fundamentos da Fotogrametria. Departamento de Cartografia - UFMG, 2000. Disponível em: <http://www.csr.ufmg.br/geoprocessamento/publicacoes/fotogrametria.pdf>. Acesso em 22 mar.2015. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 8