Autores

Lima Amaral, L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS) ; Dias Nunes, E. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS) ; Ferreira, M.E. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS) ; Soares Cherem, L.F. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS)

Resumo

A aplicação de VANTs em estudos ambientais tem se ampliado nos últimos anos e ganhando destaque em estudos geomorfológicos por fornecer dados de excelente resolução espacial e de aquisição menos onerosa para pesquisas científicas e aplicadas. Este trabalho apresenta uma proposta metodológica para cálculo de volume e massa de material erodido, fundado na modelagem de modelos digitais de superfície (MDS) obtidos por VANTs. A proposta consiste em cinco etapas: (i) aquisição, calibração e correção topológica dos dados, (iii) derivação da MDS anterior ao início do processo erosivo, (iv) derivação de MDS intermediário, e (v) cálculo do volume do material erodido. A área de estudo corresponde à calha fluvial de um canal de primeira ordem urbano localizado no setor Jardim Fonte Nova, Goiânia, Goiás. Os resultados preliminares obtidos pela metodologia mostraram-se adequados para cálculo de volume removido e contribui para a gestão e planejamento ambiental dessas áreas.

Palavras chaves

VANT; modelagem; erosão

Introdução

Técnicas de sensoriamento remoto tem grande contribuição para o diagnóstico e prognóstico de riscos geomorfológicos e os produtos gerados por essa técnicas vão desde mapeamentos regionais até locais, em ambientes urbanos e rurais (FLORENZANO, 2008; ZHOU et al., 2008). Dentre os mapeamentos locais incluem-se aqueles derivados de sistemas imageadores e não imageadores de resolução espacial centimétrica, como os adquiridos por VANTs (MARTINEZ-CASASNOVAS et al., 2013). A partir dos produtos obtidos por meio de VANTs (e.g. MDS - modelo digital de superfície), é possível gerar o modelo digital de elevação com alta resolução espacial e assim, derivar dados altimétricos secundários. Esses dados podem ser utilizados para monitoramento da morfologia de encostas e planícies de inundação em estudos que visam diagnosticar e prognosticar riscos geomorfológicos (RANGO et al., 2009, HUGENHOLTZ et al., 2013, FONSTAD et al., 2013). A aplicação desse tipo de equipamentos na geomorfologia é muito recente e pouco desenvolvido no Brasil, carecendo, assim, de estudos de base. O uso de modelos digitais de superfície (MDS) de resolução espacial centimétrica requer, inicialmente, a ortorretificação, georreferenciamento e calibração altimétrica (HACKNEY e CLAITON, 2015). Os MDSs representam a superfície da paisagem, captando elementos de dossel, como árvores, prédios, veículos e, para serem utilizados em estudos geomorfológicos, esses elementos devem ser também corrigidos. Apenas quando corrigidos, esses MDSs estão prontos para uso em estudos geomorfológicos. Dos possíveis usos dessa técnica na geomorfologia, a que apresenta maior contribuição social é o estudo de riscos geomorfológicos urbanos por eles estudarem áreas com maior adensamento populacional (D’OLEIRE-OLTMANNS et al., 2012). Nesse sentido, esse trabalho propõe uma metodologia para calcular o volume de material erodido de feições erosivas em áreas urbanas para um momento final e outro intermediário em ambiente SIG tendo por base um MDS adquirido com um VANT. O estudo utiliza um VANT e um GPS geodésico para o mapeamento altimétrico do trecho inferior de uma bacia hidrográfica de primeira ordem no setor Fonte Nova, em Goiânia, Goiás (Figura 1), onde o canal encontra-se erodido, já iniciando uma voçoroca. A bacia do canal estudado sofreu recentemente um intenso processo de ocupação, que por conta da impermeabilização do solo propiciou um aumento do fluxo de energia no canal ocasionando a degradação.

Material e métodos

A metodologia proposta e testada é composta por cinco etapas principais: 1) aquisição e calibração do MDS 2015, 2) correções topológicas da superfície do MDS 2015, 3) derivação da superfície anterior à erosão (MDS 2008), 4) derivação da superfície intermediária (MDS 2011), 5) cálculo do volume do material erodido para dois períodos diferentes. A resolução espacial adotada para o MDS foi a recomendada pelas características do sobrevoo, 50cm. Assim, cada pixel tem 0,0025m2. O VANT utilizado corresponde a um Swinglet CAM, da empresa SENSE Fly e o sensor imageador corresponde a uma câmera Canon IXUS 220 HS de resolução de 12 megapixel e sensor tipo CMOS 1/2,3” (4000 x 3000 pixel), e o vôo teve características que permitiram a resolução espacial de 5cm. Assim, cada pixel tem 0,0025m2. O software utilizado para o tratamento inicial dos dados é o Emotion que integra o equipamento utilizado. Na primeira etapa, foi realizado trabalho de campo a área de estudo em novembro de 2014, quando foi realizado o voo do VANT, quando foram obtidas as ortofotos e derivado o MDS. Os dados foram georreferenciados e ortoretificados pelo próprio programa fornecido pelo equipamanto. Na segunda etapa, a partir do MDE gerado, foram extraídas as curvas de nível com intervalo de 50cm, sendo excluídos os elementos de dossel. Para tanto, foi utilizada a imagem de alta resolução adquirida durante o sobrevoo para identificação e delimitação desses elementos. Assim, as curvas de nível concêntricas que representam esses elementos foram excluídas. Por fim, obteve-se o MDS 2015 - final. Na terceira etapa, repetiu-se o procedimento da etapa anterior para a área erodida, assim, todas as curvas localizadas no interior da curva de nível que limita a feição e a curva limite foi restaurada para sua posição original, o que foi feito tendo em conta no trecho onde a curva de nível da crista mais se aproxima no trecho mais a jusante. Esse procedimento foi realizado para todas as curvas contidas na feição. Por fim, obteve-se o MDS 2008 - inicial. Na quarta etapa, o procedimento anterior foi repetido, mas tendo referência de superfície do limte da feição erosiva uma imagem de satélite de alta resolução IKONOS obtida no ano de 2011. Para tanto, o MDS 2015 foi corrigido com referência na imagem de 2011. As curvas de nível a montante da crista da feição de 2011 foram derivadas do MDS 2008 e as curvas a jusante, derivadas do MDS 2015. Por fim, obteve-se o MDS 2011 - intermediário. Na quinta e última etapa, derivou-se a diferença altimétrica dos MDS 2015 e MDS 2011 em relação ao MDS 2008, calculou-se o volume em cm3 de cada pixel. Esse cálculo consiste nas subtrações: altitude de MDS 2008 menos a altitude MDS 2011; e altitude MDS 2011 menos altitude MDS 2015; seguidas da conversão do valor da diferença altimétrica de cada pixel para volume considerando a área do pixel em 0,0025 m2 e, em seguida, na multiplicação pela densidade em cada pixel. O volume resultante foi convertido em toneladas considerando a densidade média de mantos de alteração lateriricos formandos em rochas máficas: 1,68g.cm-3 A modelagem utilizada corresponde a um modelo determinístico, pois as variáveis são físicas e não levam em consideração bases estatísticas de probabilidade para realização do cálculo.

Resultado e discussão

A área da bacia estudada sofreu um processo de urbanização acelerado a partir de 2000 e em 2015 a área já era intensamente ocupada. O processo de urbanização se intensificou no ano de 2006, quando a incisão do canal foi iniciada. Essa degradação foi potencializada no ano de 2008 quando da instalação da rede pluvial e sua conexão com a drenagem fluvial, ligando manilhas ao canal. A aplicação da proposta gerou o MDS 2015 (original – FIG 2A), o MDS 2015 (corrigido – FIG 2B), o MDS 2011 e o MDS 2008 (FIG 2C). O MDS original foi corrigido e as construções e dossel foram excluídos da superfície. No MDS 2015 (corrigido) foram geradas superfícies com trechos planos no meio das vertentes devido ao erro da interpolação. Entretanto, essas não afetaram os resultados, pois a área de estudo (FIG 2B- recorte retangular em amarelo) não teve nem cobertura vegetal nem construções. A derivação das superfícies anterior ao início da erosão em 2008 e intermediária em 2011 teve boa representatividade, embora a representação exata do local original do canal tenha sido hipotética. Os resultados calculados mostram que foram removidas 52.462,4 toneladas e que, desde o início do processo erosivo em 2008 até o ano de 2011, foram removidas 15.335 toneladas de material, dando uma média teórica de 3.833 toneladas por ano. Para o período de 2011 e 2015, o volume de material retirado acumulando uma foi de 37.127 toneladas, dando uma média teórica de 9.281 toneladas por ano. A respeito da escala temporal em que os resultados foram obtidos, os dados anuais são hipotetizados de acordo com médias, pois o cálculo tem enfoque na taxa total de sedimentos acumulados. Apesar disso, o incremento do volume erodido acumulado é marcante e coerente com o esperado, fazendo com que o volume retirado tenha sido 2,5 vezes maior entre 2011 e 2015 que durante o período entre 2008 e 2011. Ainda, o perfil longitudinal original do canal, que era quase retilíneo, tornou-se côncavo, condicionando os processos dentro da feição: ao se analisar a distribuição da remoção de material ao longo do canal (Fig 3), é possível perceber a concentração de maior perda de sedimentos na porção a montante, próximo ao duto que conecta as redes pluviais e fluvial. Nessa área o fluxo acumulado da água pluvial tem maior energia e, portanto, predomina o processo de remoção, enquanto na porção a jusante do canal o fluxo já sofreu dissipação de energia e predomina o processo de deposição de sedimentos. Os resultados são coerentes com o observado em campo e o esperado para áreas onde haja a interligação dos sistemas de drenagem pluvial e fluvial sem nenhum tipo de controle e dispersão da energia das águas pluviais. A modelagem utilizada, apesar de coerente com o esperado, apresenta algumas limitações que devem ser revistas em estudos futuros. A principal é a necessidade de segmentar o cálculo da densidade dos solos ao longo de toda cobertura pedológica da área, seguida da necessidade de testes que aperfeiçoem o cálculo do volume de material erodido.

Figura 1

Localização da área de estudo

Figura 2

Etapas do Cálculo de volume: (A) MDS 2015 sem correções, (B) MDS 2015 com correções, (C) MDS 2008 com superfície recalculada.

Figura 3

Volume total de sedimento erodido por pixel de 0,0025 m2 no ano de 2015.

Considerações Finais

A metodologia proposta que utiliza dados de drones foi satisfatório para medir o volume de material removido e fornece informações relevantes para a avaliação de risco em áreas urbanas, pois possibilita o monitoramento da evolução do processo erosivo e dessa forma colabora com a previsão de evolução do mesmo. Os resultados devem ser, em momentos futuros, gerados anualmente e relacionados à dinâmica do escoamento superficial da bacia onde essa feição erosiva está localizada, deixando de ser adotado um modelo geomorfológico determinístico e testando modelos probabilisticos de processo.

Agradecimentos

Referências

FLORENZANO, TG (Org). Geomorfologia: Conceitos e tecnologias atuais. São Paulo: Oficina de Textos, 2008, 318p.

FONSTAD MA, DIETRICH JT, COURVILLE BC, JENSEN JL, CARBONNEAU PE. Topographfonic structure from motion: a new development in photogrammetric measurement. Earth Surface Processes and Landforms 38: 2013. p.421-430.

HACKNEY, C, CLAYTON, AI. Unmaned Aerial Vehicles (UAVs) and their application in geomorphic mapping. Geomorfphological Techniques. seção 1.7. British Society for Geomorphology. 2015.

HUGENHOLTZ CH, WHITEHEAD K, BROWN OW, BARCHYN TE, MOORMAN BJ, LECLAIR A, RIDDELL K, HAMILTON T. Geomorphological mapping with a small unmanned aircraft system (sUAS): Feature detection and accuracy assessment of a photgrammetrically-derived digital terrain model. Geomorphology 194: 16-24. 2013.

MARTINEZ-CASASNOVAS J, RAMOS M, BALASCH C. Precision analysis of the effect of ephemeral gully erosion on vine vigour using NDVI images. In Stafford, J. (Eds.) Precision Agriculture ’13. Wageningen Academic Publishers, Wageningen, The Netherlands. 2013.

D’OLEIRE-OLTMANNS S, MARZOLFF I, PETER KD, RIES JB. Unmanned aerial vehicles (UAVs) for monitoring soil erosion in Morocco. Remote Sensing 4, 2012. p.3390-3416.

RANGO, A., HERRICK, J.E., HAVSTAD, K., BROWNING, D., Unmanned aerial vehicle-based remote sensing for rangeland assessment, monitoring, and management. Journal of Applied Remote Sensing 3, 033542. 2009.

ZHOU, Q., LEES, B., TANG, G., Advances in Digital Terrain Analysis. Springer-Verlag: Berlin. 2008.