Autores

Costa, G. (UFPB) ; Souza, J. (UFPB)

Resumo

A popularização dos dados de sensoriamento remoto, aliada à evolução dos Sistemas de Informações Geográficas (SIG’s), constitui instrumento fundamental ao planejamento e gestão dos recursos naturais. Na gestão de recursos hídricos, o estudo da drenagem é primordial. Nesse trabalho, avaliou-se a precisão de Modelos Digitais de Elevação (MDE’s), como fontes para extração de drenagem, comparando os resultados a uma drenagem de referência na bacia do Riacho Jucurutu, no município de São João do Tigre – PB. A extração automática, através do software ArcGis, seguiu a metodologia de preenchimento de depressão, identificação da direção do fluxo, identificação do fluxo acumulado e definição do limiar de iniciação de canais, que foi estabelecido em 1,62 Km². Além dos MDE’s de fontes gratuita, comparou-se a drenagem vetorizada de uma carta topográfica. Da comparação de parâmetros hidro- topográficos, a drenagem obtida do MDE SRTM, com resolução de 30m originais, apresentou melhores resultados.

Palavras chaves

Drenagem; MDE; SRTM

Introdução

Dada a atual crise hídrica que assola o mundo, diversos estudos têm sido realizados com o objetivo de fornecer meios para melhor gerir esse recurso natural fundamental à vida. Políticas de gerenciamento de recursos hídricos já estabelecem as bacias hidrográficas como unidades territoriais de referência, que reúnem as características ecossistêmicas e morfológicas úteis ao planejamento ambiental. Nesse aspecto, os Sistemas de Informações Geográficas (SIG) são fundamentais no desenvolvimento de modelos de simulação, processamento de dados, visualização e gestão das bacias hidrográficas (CARVALHO et al, 2010). Com os avanços tecnológicos, os SIG’s passaram a utilizar modelos digitais de elevação para extração automática das bacias hidrográficas e seus elementos de drenagem. Datam da década de 1960, os primeiros trabalhos que utilizaram Modelos Digitais de Elevação (MDE’s), resultado da digitalização dos mapas topográficos de curvas de nível e posterior interpolação em programas rudimentares, convertendo para matrizes as informações de posição e elevação. Com base nesses trabalhos, a extração das informações geomorfológicas e hidrológicas ainda era executada de forma manual, constituindo-se um processo lento, dispendioso e impreciso, que exigia notável habilidade do pesquisador. Na década posterior, constroem-se algoritmos para a extração automática de elementos geomorfológicos (MEDEIROS; FERREIRA; FERREIRA, 2009), inicialmente, pontuais e lineares (como picos, depressões, ravinas, passagens de água e cristas), e, posteriormente, dados contínuos, como declividade, possibilitando a delimitação elementar de curvas de nível e drenagem. O aperfeiçoamento dos métodos proporcionou, na década de 1980, a delimitação de bacias hidrográficas e a extração da drenagem. A drenagem, inicialmente, era extraída pelo método topográfico (PEUCKER; DOUGLAS, 1975; apud SOUZA; ALMEIDA, 2014), baseado na curvatura topográfica e, posteriormente, passou-se a utilizar o método hidrológico, baseado na acumulação de fluxos, que define o processo fluvial de início do canal quando essa acumulação atinge determinado limiar. Esse método se consolidou e é utilizado até hoje com algumas modificações. Os atributos morfométricos das bacias influenciam fortemente a evolução das paisagens e são fundamentais nos estudos de evolução pedológica, processos erosivos, permeabilidade, transporte de sedimentos, determinando a forma de uso e ocupação das áreas e constituindo-se em ferramentas indispensáveis ao estudo, avaliação e gestão dos recursos de uma região (VILLELA e MATOS, 1975). Daí a necessidade de uma representação fidedigna da área de estudo, minimizando os erros dos modelos digitais de elevação, que servirão de base para os dados geomorfológicos e hidrológicos. Os métodos computacionais, utilizados no tratamento de atributos de bacias de drenagem, permitem a obtenção de informações de forma mais rápida, eficiente e padronizada, mas normalmente é necessário proceder a correções nos MDE’s, em especial, ao que se refere ao preenchimento das depressões artificiais, como também à introdução de informações sobre as redes de drenagem e lagos (OLIVEIRA, et al, 2007). Além disso, as fontes de dados dos MDE’s podem apresentar diferentes precisões altimétricas e resoluções espaciais que, dependendo da escala utilizada e do objetivo do trabalho, podem comprometer a interpretação das informações geradas, sendo necessária uma análise criteriosa desses fatores. Nesse trabalho, portanto, propõe-se avaliar a precisão dos MDE’s obtidos através de diferentes fontes gratuitas, comparando os dados de extração de bacias, altimetria, drenagem e extensão dos rios, em diferentes padrões morfométricos com as informações de referência de uma drenagem vetorizada, a fim de identificar qual base de dados produz o modelo hidrológico mais consistente. A área de estudo está localizada no semiárido nordestino, na bacia do Riacho Jucurutu, no município de São João do Tigre – PB.

Material e métodos

A precisão na obtenção das informações dos MDE’s está relacionada, entre outros fatores, à base de dados que lhes dá origem. Os modelos digitais de elevação podem ser obtidos a partir de mapas topográficos, mas, no Brasil, a disponibilidade de mapas em escalas maiores está restrita aos grandes centros e região litorânea. A crescente facilidade na obtenção dos dados de sensoriamento remoto da superfície terrestre supriu essa lacuna, popularizando os MDE’s, cada vez mais utilizados na extração automática de redes de drenagem para análises hidrológicas, geomorfológicas e ambientais. Optou-se por testar a precisão dos dados de extração automática da drenagem a partir de MDE’s obtidos de fontes gratuitas diversas, utilizando o software ArcGis 9.3, para a extração da drenagem e determinação de parâmetros morfométricos. Os MDE’s foram obtidos das seguintes fontes: a) A partir do Programa Brasil em Relevo da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA), são imagens de radar da Missão SRTM, com resolução espacial de 90m; b) Do INPE, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, através do Programa TOPODATA, que efetuou tratamento nos dados originais SRTM, com correções e interpolações que resultaram em MDE’s com resolução de 30m; c) Outro dado, ASTER GDEM, foi obtido no site do Serviço de Pesquisa Geológica dos Estados Unidos (USGS), e esses dados também possuem resolução de 30m; d) Obteve-se um outro dado da Missão SRTM, com resolução espacial originalmente de 30m, sem interpolações, a partir da plataforma Earth Explorer, também disponibilizado pelo USGS. De maneira simplificada, nesse estudo, os MDE’s serão assim identificados: EMBRAPA, TOPODATA, ASTER GDEM e SRTM30. Além das drenagens extraídas através dos MDE’s, será possível comparar a drenagem vetorizada a partir de uma carta topográfica, disponibilizada pelo Exército Brasileiro, em seu Geoportal. A drenagem de referência, a ser utilizada na comparação com as demais, foi obtida através de vetorização executada em imagem de satélite, tendo pontos de controle obtidos a partir de GPS. Como a rotina de extração automática da drenagem tem fundamento hidrológico, baseando-se na acumulação de fluxos, é necessário estabelecer os limiares a partir dos quais se iniciam os processos fluviais, ou seja, onde teoricamente ocorre a gênese dos canais. A definição desse limiar é, contudo, um ponto controverso dentro da metodologia hidrológica de extração de drenagem, sendo, por vezes, escolhidos valores arbitrários ou buscam-se adequações às características topográficas e ambientais, ou ainda, pela tentativa e erro, variam-se os limiares e comparam-se os resultados com uma base de referência. Para este estudo, a escolha do limiar de acumulação de fluxo baseou-se na pesquisa desenvolvida por Souza e Almeida (2014), que analisou a precisão da extração automática de drenagem a partir de MDE’s de fontes distintas para a uma bacia hidrográfica do semiárido pernambucano. Dessa forma, escolheu-se uma área de acumulação de 1,62km², que corresponde a 200 pixels dos MDE’s com resolução espacial de 90m e, 1800 pixels, para os de resolução de 30m. Feita a extração da bacia hidrográfica pelo limite fixado, seguiu-se, igualmente aos MDE’s, à aplicação dos procedimentos de preenchimento das depressões, definição da direção de fluxo, determinação do fluxo acumulado e a extração da drenagem. A vetorização dos canais torna possível a comparação de dados morfométricos obtidos das tabelas de atributos desses vetores. Além disso, determinou-se a quantidade de pontos de interseção entre os canais das drenagens de comparação e os canais de referência.

Resultado e discussão

Realizados uniformemente o tratamento dos MDE’s até o cálculo dos fluxos acumulados, tendo por base estudo feito por Souza e Almeida (2014) em região de características similares, estabeleceram-se os limiares para extração da drenagem. Como o MDE, obtido da EMBRAPA, possui pixel de 90m x 90m, enquanto os demais TOPODATA, ASTER GDEM e SRTM30 possuem pixels de 30m x 30m, fixou- se uma área de acumulação de 1,62 km², equivalente a 200 pixels de 90m x 90m e 1800 pixels, para os de 30m x 30m. Com os resultados obtidos a partir das extrações de drenagem e sua posterior vetorização, montou-se uma tabela com alguns parâmetros topográficos e hidrológicos, como a quantidade de canais, comprimentos mínimo, máximo e médio dos canais, cotas altimétricas máxima, mínima e respectiva amplitude, a densidade de drenagem e a quantidade de pontos de interseção entre os canais encontrados e os de referência. Verifica-se que a quantidade de canais obtida através da carta topográfica é muito inferior ao valor de referência, enquanto que, entre os MDE’s, esse parâmetro variou pouco, com uma diferença percentual entre 36% e 40%, para menos. As drenagens obtidas a partir dos dados da EMBRAPA e do SRTM30 obtiveram maior aproximação, totalizando 99 canais. Da sobreposição dos canais, é visível como a drenagem extraída da Carta desconsidera os canais secundários, o que pode ser explicado através da metodologia utilizada na sua vetorização, produzida pelo método topográfico a partir de aerofotos do final da década de 1960. Quanto ao comprimento mínimo, os dados da Carta continuaram a apresentar maior discrepância, e a drenagem dos dados EMBRAPA apresentou melhor aproximação. O comprimento máximo do canal foi o parâmetro que apresentou menor variação na comparação com as demais drenagens, com diferenças variando de 250m a 1260m, sendo a drenagem do ASTER GDEM a que mais se aproximou do valor de referência. Com relação ao comprimento total dos canais, previsivelmente, já que apresentou maior diferença no número de canais, a drenagem da Carta também apontou a maior diferença, com mais de 100km, ao passo que o SRTM30 obteve a melhor aproximação. Os parâmetros relativos ao comprimento dos canais, bem como a sua quantidade, para as drenagens extraídas dos MDE’s, estão diretamente relacionados ao limiar condicionante do acúmulo de fluxos. Mesmo tendo sido utilizado um limiar baseado em um estudo de área similar, observa-se, como já destacavam Souza e Almeida (2014), que cada bacia possui um limiar específico, reflexo do seu arranjo ambiental e que precisa ser analisado separadamente. A bacia estudada possui áreas de declividade acentuada que se contrapõem a extensas áreas de baixa declividade, mais planas, e isso certamente dificulta a modelagem do fluxo de água a partir de um limiar de acúmulo uniforme para toda a bacia (OLIVEIRA, et al., 2007). Um limiar baixo, condizente com áreas de declividade acentuada, implicará em uma superestimação, com maior densidade de canais nas áreas planas. O contrário, um limiar alto, implicará na subestimação da gênese dos canais em terrenos de maior declividade. Quanto às cotas altimétricas, os dados TOPODATA, EMBRAPA e SRTM30 apresentaram pouca variação. Já, os dados ASTER apontaram diferença de pouco mais de 10 m na amplitude, mas quando se compara os dados da Carta com os demais MDE’s a diferença na amplitude altimétrica é significativa, ultrapassando os 60m. Tal divergência deve ser melhor investigada, pois pode inviabilizar trabalhos que tenham esses dados como referência e que necessitem de uma melhor precisão vertical. Considerando a quantidade de pontos de interseção entre os canais de drenagem, verifica-se que, entre os MDE’s, esse parâmetro variou pouco, ficando entre 180 e 187. Todavia, os canais obtidos pela Carta indicaram apenas 112 pontos de interseção. A densidade de drenagem corresponde à razão entre o comprimento total dos canais e a respectiva área da bacia hidrográfica. Para esse parâmetro, a drenagem obtida do SRTM30 apresentou maior similaridade, e a drenagem da Carta, menor, com uma diferença percentual de 27,7%. Esse indicador depende do comprimento dos canais e também deve ser melhor analisado a luz do limiar de acúmulo de fluxos escolhido para extração da drenagem, obtendo-se índices mais similares quando se utiliza limiares compatíveis ás características da bacia estudada. A observação da figura 1 corrobora os dados dispostos na tabela. Percebe-se que a drenagem de referência tem maior densidade, enquanto que a drenagem vetorizada da Carta Topográfica apresenta o menor número de canais, pode-se concluir que a metodologia de extração da drenagem a partir da vetorização de canais nas Cartas Topográficas diferencia-se da extração automática, subestimando a formação de canais de menor porte. De forma contrária, a drenagem de referência apresenta quantidade superior de canais de primeira ordem , como se constata da análise do detalhe 2 , da figura 3. Da observação do detalhe 1, verifica-se que a drenagem obtida do MDE EMBRAPA, notadamente, apresenta-se deslocada das demais. Tal fato supõe-se estar relacionado à baixa resolução dos dados, pixels de 90m x 90m, reduzindo a precisão da extração da drenagem. A sobreposição da drenagem dos dados SRTM30 e da drenagem de referência (detalhe 3), em uma área de baixa declividade, em que normalmente a extração automática é mais difícil, mostrou concordância regular.

Figura 1

Mapa de Localização e MDE da Bacia Hidrográfica de Jucurutu.

Figura 2

Drenagens obtidas da Carta Topográfica e dos MDE’s ASTER, EMBRAPA, TOPODATA e SRTM30.

Figura 3

Mapa de sobreposição das drenagens e detalhes.

Tabela 1:

Comparação de parâmetros topográficos e hidrológicos, variação percentual entre a drenagem de referência, Carta e extrações de MDE’s.

Considerações Finais

Após analisar as drenagens obtidas de extração automática dos quatro diferentes MDE’s, para os parâmetros morfométricos e hidrológicos escolhidos, percebe-se que a drenagem resultante dos dados SRTM30 apresentou melhores índices. Quanto à drenagem proveniente dos dados EMBRAPA, apesar da comparação dos parâmetros resultar valores próximos aos do SRTM30, a comparação visual com a drenagem de referência, revela que a localização dos canais sofreu um deslocamento considerável, o que pode ser consequência de erros de interpolação em virtude de se tratar de imagens com pixels de 90m x 90m. Relativo à drenagem vetorizada das Cartas Topográficas, os índices obtidos da comparação com a drenagem de referência indicam não serem esses dados indicados para uso em estudos hidrológicos de maior complexidade, pois aplicam o método topográfico para determinar a drenagem, desconsiderando a formação de inúmeros canais de primeira ordem, reduzindo a densidade de drenagem. É preciso aperfeiçoar os métodos de avaliação da precisão dos MDE’s utilizados na extração automática de bacias hidrográficas e drenagem, especialmente, em regiões semiáridas, onde os canais não estão perfeitamente delineados e, em sua maioria, são intermitentes, fato que os tornam importantes para as comunidades locais. Nesse aspecto, são fundamentais os levantamentos em campo, com GPS de alta precisão, para correção e atualização das alterações ocorridas no ambiente e escolha do limiar de acumulação de fluxo mais adequado.

Agradecimentos

Agradeço ao Professor Dr. Jonas Otaviano Praça de Souza pelo apoio, aprendizado e incentivo à pesquisa em Geomorfologia Fluvial.

Referências

ANDRADE FILHO, Clódis de Oliveira; ZANI, Hiran; GRADELLA, Frederico dos Santos. Extração automática das redes de drenagem no pantanal de aquidauana: estudo comparativo com dados SRTM, ASTER e carta topográfica. Geografia, Rio Claro, v. 34, p.731-743, 2009.

BUARQUE, Diogo Costa et al. Comparação de métodos para definir direções de escoamento a partir de modelos digitais de elevação. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, Porto Alegre, v. 14, n. 2, p.91-103, 2009. Trimestral.

CARVALHO, Paulo Roberto de Souza; GUIMARÃES, Renato Fontes; CARVALHO JÚNIOR, Osmar Abílio de. Análise comparativa de métodos para delimitação automática das sub-bacias do alto curso do rio preto. Espaço e Geografia, Brasília, v. 13, n. 2, p.277-307, 2010.

COELHO, André Luiz Nascentes. Modelagem hidrológica da bacia do rio doce (MG/ES) com base em imagens SRTM (Shuttle Radar Topography Mission). Caminhos de Geografia, Uberlândia, v. 8, n. 22, p.116-131, 2007.

MEDEIROS, L. C.; FERREIRA, N. C.; FERREIRA, L. G. Avaliação de modelos digitais de elevaçãopara delimitação automática de bacias hidrográficas. Revista Brasileira de Cartografia. Rio de Janeiro. n. 61, p. 137-151, 2009.

MIRANDA, E. E. de; (Coord.). Brasil em Relevo. Campinas: Embrapa Monitoramento por Satélite, 2005. Disponível em: <http://www.relevobr.cnpm.embrapa.br>. Acesso em: 31 jan. 2016.

OLIVEIRA, Sandro Nunes de et al. Delimitação automática de bacias de drenagem e análise multivariada de atributos morfométricos usando modelo digital de elevação hidrologicamente corrigido. Revista Brasileira de Geomorfologia, Porto Alegre, v. 1, n. 8, p.3-21, 2007.

PEUCKER, T. K.; DOUGLAS, D. H. Detection of surface secific points by local parallel processing of discrete terrain elevation data. Comput. Graph. Image Process., New York, v. 4, p. 375-387, 1975.

PINTO, Amanda Odelius Teixeira et al. Tratamento dos dados da Missão Shuttle Radar Topography Mission e comparação com o modelo digital de terreno gerado por interpolação de cartas topográficas. Espaço e Geografia, Brasília, v. 7, n. 1, p.77-97, 2004.

SOUZA, Jonas Otaviano Praça de; ALMEIDA, Joana D'arc Matias de. Modelo digital de elevação e extração automática de drenagem: dados, métodos e precisão para estudos hidrológicos e geomorfológicos. Bol. Geogr, Maringá, v. 32, n. 2, p.134-149, 2014.

VILLELA, S.M.; MATTOS, A. Hidrologia Aplicada. São Paulo: McGraw-Hill. 245p. 1975.