Autores

França da Silva, J.M. (UNICENTRO) ; Rodrigues Mudre, M. (UNICENTRO)

Resumo

O presente trabalho trata da quantificação da diversidade da Rugosidade do Terreno; um parâmetro geomorfométrico que possui ampla correlação com variados aspectos do meio físico, contextualizando-o no âmbito da Geodiversidade – conceito que destaca a variabilidade abiótica da superfície terrestre. Utilizando o setor norte da APA da Serra da Esperança (PR) como estudo de caso, as etapas do trabalho contaram com: elaboração de Modelo Digital do Terreno; derivação do Índice de Rugosidade do Terreno (IRT); submissão do IRT ao Índice de Diversidade de Shannon perante células de 500 x 500 m e interpolação das classes de diversidade. A análise digital de dados permitiu constatar que a maior diversidade de IRT refere-se aos terrenos situados na Escarpa da Esperança e circunvizinhança, enquanto a menor diversidade, predominantemente, em formas de relevo situadas no reverso da escarpa.

Palavras chaves

Geomorfometria; Atributos Topográficos; Geodiversidade

Introdução

A Geodiversidade é um termo abrangente adotado para especificar a variabilidade abiótica da Terra (STANLEY 2000; GRAY, 2004; KOZLOWSK, 2004) e sua aplicação na pesquisa geográfica se associa a distintas variáveis do meio físico, correlacionadas conforme ênfase de pesquisa, características da área de estudo e fontes de dados disponíveis. A rugosidade do terreno possui, inerentemente, a capacidade de delinear a heterogeneidade geomorfológica de uma determinada área de pesquisa, já que os valores numéricos dela derivados são indicativos da acidentalidade do terreno, sendo por este motivo, amplamente aplicada na caracterização e cartografia do relevo (RILEY et al., 1999; GISBERT e MARTI, 2010; SILVEIRA et al., 2012; SAMPAIO e AUGUSTIN, 2014). Em estudos voltados especificamente à geodiversidade, é adotado destacadamente como um dos parâmetros para ponderação da diversidade de formas de relevo e processos associados (BENITO-CALVO et al., 2009; MELELLI, 2014; KOT; LESNIAK, 2017) ou como variável determinante para quantificação de índices de diversidade de variados elementos abióticos, condição que pode ser exemplificado na proposição metodológica de Serrano e Ruiz-Flaño (2007); cuja formulação também foi aplicada, com devidas adaptações, por Hjort e Luoto (2010) e Manosso e Nóbrega (2015). No sentido de analisar a Rugosidade do Terreno no contexto da Geodiversidade, o principal objetivo do presente trabalho se refere a derivação deste parâmetro geomorfométrico de Modelo Digital do Terreno, sendo posteriormente submetido ao Índice de Shannon para quantificação da diversidade de rugosidade em células regulares de 500 x 500 metros; tendo como recorte espacial o setor norte da Área de Proteção Ambiental da Serra da Esperança (PR) – unidade de conservação de uso sustentável estabelecida no entorno da Escarpa da Esperança, caracterizada, por sua vez, como uma faixa geológico-geomorfológica que demarca a transição entre o Terceiro Planalto e Segundo Planalto Paranaense.

Material e métodos

Material e Métodos Modelo Digital do Terreno A partir de bases planialtimétricas vetoriais gerou-se MDT por meio da ferramenta Topo to Raster – um dos interpoladores integrantes do módulo 3D Analyst e Spatyal Analyst Tolls da plataforma ArcGIS 10.1. Projetado a partir do programa computacional ANUDEM (Australian National University Digital Elevation Model) (HUTCHINSON, 1988; 1989; 2011), este interpolador é estruturado por algoritmo determinístico (drenagem forçada) que remove reentrâncias, falsas depressões e artefatos, possibilitando livre escoamento superficial, estabelecendo, portanto, superfícies topográficas hidrologicamente consistentes. Índice de Rugosidade do Terreno Dentro dos objetivos estipulados elaborou-se o Índice de Rugosidade do Terreno – IRT (Terrain Ruggedness Index – TRI) formulado por Riley et al., (1999), que se ampara nas relações de vizinhança entre pixels. O método mencionado considera algoritmo que mede a dispersão das elevações de cada célula central para suas oito células vizinhas, considerando, simetricamente, os valores positivos e negativos de inclinação (Equação 1): 〖IRT〗_(r,c)=√(∑_(i=r-1)^(r+1)▒∑_(j=c-1)^(c+1)▒(e_(i,j )- e_(r,c ) )^2 ┤ ) (Equação 1) Após cálculo deste parâmetro, adaptando o sistema de classificação de acordo com as características da área de estudo, estabeleceram-se os seguintes intervalos de classe, a partir do qual o IRT passa a ser denominado como Rugosidade do Terreno: 1) IRT < 1,9: Terreno plano; 2) IRT 1,91 a 3,9: Terreno quase plano; 3) IRT 3,91 a 5,9: Rugosidade baixa; 4) IRT 5,91 a 8,4: Rugosidade intermediária; 5) IRT 8,41 a 11,4: Rugosidade moderada; 6) IRT 11,41 a 15,6: Rugosidade elevada; 7) IRT 15,61 a 36,9: Rugosidade extrema. Índice de Diversidade de Shannon O Índice de Diversidade de Shannon (SHDI), derivado da Teoria da Informação (SHANNON, 1948; SHANNON e WEAVER, 1949) foi utilizado para mensurar, nas células de 500 x 500 m mencionadas, o número de ocorrências das classes de formas de relevo e suas respectivas proporções (Equação 2): SHDI= - ∑_(i=1)^s▒〖pi=n_i/N*Ln pi〗 (Equação 2) Onde: ni refere-se ao número de células relativas à cada classe, N o número total de classes da amostra (Riqueza) e pi à proporção das mesmas (Equabilidade) em relação à área, expressa em Logaritmo Natural (Ln). A ampliação gradativa dos valores do índice decorre da seguinte condição: conforme maior número de diferentes tipos de dados e sua proporção nas células de análise, o valor máximo possível é alcançado quando todas as classes de determinada variável possuem a mesma área (EIDEN et al., 2000); que no caso do presente estudo se refere a influência do número de classes (riqueza) e da sua proporção logarítmica (equabilidade) sobre o Índice de Shannon. Critérios boolenos foram adotados para categorização de cinco classes de SHDI 1) Muito Baixo, 2) Baixo, 3) Médio, 4) Alto, e 5) Muita Alto, pautando- se no algoritmo Quebras Naturais (Natural Breaks – Jenks) do ArcGIS 10.1, onde os intervalos refletem, simultaneamente, o agrupamento natural de dados com valores similares e a maximização da diferença entre classes (ESRI, 2010).

Resultado e discussão

Considerando o Índice de Rugosidade do Terreno (IRT), a área de estudo está inserida em valores que variam de 0 a 36,86, com média de 3,93 e desvio padrão de 3,25. A classificação dos valores absolutos nas sete classes de rugosidade e suas respectivas representatividades espaciais considera histograma de frequência das classes definidas (Figura 1A) e seu percentual (Figura 1B). Figura 1 – Histograma (A) e distribuição de classes de Rugosidade do Terreno (B) A Figura 2, por sua vez, representa o resultado da subordinação do IRT ao SHDI, resultando em valores de diversidade compreendidos entre 0 a 1,92, com média de 1,12 e desvio padrão de 0,38. Figura 2 – Frequência de valores (A) e intervalos de classes (B) do SHDI de Rugosidade do Terreno A classe que possui menor cobertura na área de pesquisa é a de Rugosidade Extrema, referente aos valores de IRT superiores a 15,61, os quais estão associados a determinadas posições da escarpa, coincidindo com a ocorrência de Knickpoints – seções fluviais de transição abrupta. A Rugosidade Elevada está distribuída ao longo de toda Escarpa da Esperança, assim como nas vertentes superiores das cristas controladas por lineamentos estruturais. As classes Rugosidade Moderada e Rugosidade Intermediária possuem proporção relativamente equiparadas, sendo a primeira mais evidente no contato da escarpa com o segundo planalto e na posição interior de vertentes de cristas alongadas; e a segunda possuindo padrões discerníveis em toda a área, embora de maneira mais evidente no terço inferior das vertentes e ao longo de vales fluviais abertos. A Rugosidade Baixa vincula-se espacialmente às classes anteriores, demonstrando o contato daqueles terrenos mediamente dissecados com topos alongados e rampas de baixa inclinação, assim como terços médios de vales fluviais. Os Terrenos Planos reúnem valores de rugosidade bastante representativos na área de estudo (30,8% da área), estando vinculados aos topos de colinas com baixa amplitude altimétrica e com as planícies aluviais, ambas com inclinação inferior a 3%; cuja transição para vertentes moderadamente íngremes constituem a classe Terrenos quase planos, representativa de 27,2% da área total. A análise cartográfica das características das classes de Rugosidade do Terreno (Figura 3A) e do resultado de sua determinação pelo Índice de Shannon (Figura 3B), possibilita interpretar o padrão de distribuição da classe predominante deste parâmetro, ou seja, aquela correspondente ao intervalo de classes Alta de riqueza e equabilidade (1,191 a 1,46), cujo padrão espacial denota seu predomínio no entorno de relevos mais acidentados, contíguos à escarpa, coincidindo aos maiores valores de diversidade (Muito Alta), compreendendo valores superiores a 1,461 em 17,5% da área total. A classe de diversidade Média (0,891 a 1,19) é bastante significativa espacialmente, compreendendo 26,5% da área, representando setores de transição entre relevos de baixa amplitude altimétrica e a posição inferior de vertentes de inclinação média. Destacando os padrões espaciais relativos à reduzida diversidade de rugosidade do terreno, avalia-se que as classes Muito Baixa e Baixa, que apresentam o respectivo percentual de 7,2% e 16,4%, possuem correlação espacial com áreas planas e planícies aluviais. Figura 3 – Mapa de Rugosidade do Terreno (A) e Índice de Diversidade de Rugosidade do Terreno (B)

Considerações Finais

O padrão espacial das classes de rugosidade do terreno possui evidente correlação com o índice de diversidade sobre ele estabelecido, possibilitando a distinção entre setores com diversidade reduzida e ampliada. De maneira geral, os maiores valores de diversidade de rugosidade estão situados sobre a escarpa e entorno imediato, enquanto os menores valores nas áreas planas correspondentes ao reverso da escarpa e planícies aluviais. Cabe destacar que o IRT é somente uma das variáveis potencialmente aplicáveis na quantificação da Geodiversidade, e neste sentido recomenda-se sua associação espacial com outros aspectos que possuem associação com a complexidade topográfica, desde que atribuídos por compatibilidade escalar.

Agradecimentos

Ao Programa de Pós-graduação em Geografia da Universidade Federal do Paraná; e ao Departamento de Geografia da Universidade Estadual do Centro-Oeste do Paraná – Campus Irati.

Referências

BENITO-CALVO, A.; PÉREZ-GONZÁLEZ, A.; MAGRI, O.; MEZA, P. Assessing regional geodiversity: the Iberian Peninsula. Earth Surface Processes and Landforms, v.34, n.10, p.1433-1445, 2009.

EIDEN, G; KAYADJANIAN, M; VIDAL, C. Quantifing Landscape Structures: spatial and temporal dimensions. In: From Land Cover to Landscape Diversity in the European Union, 2000. Disponível:<http://ec.europa.eu/agriculture/publi.landscape. Acesso: 10 set. 2015.

ESRI – Environmental Systems Research Institute. ArcGis, Spatial Analyst, 3D Analyst. Version 10.1., 2010.

GISBERT, F.J.G.; MARTI, I.C. Rugosidad del terreno – una característica del paisagem poco estudiada. Fundación BBVA: Documentos de trabajo n.10, 2010, 29 p.

GRAY, M. Geodiversity: Valuing and conserving abiotic nature. Londres: John Wiley & Sons Ltda, 434 p., 2004.

HJORT, J.; LUOTO, M. Geodiversity of high-latitude landscapes in northern Finland. Geomophology, n.115, p.109-116, 2010.

HUTCHINSON, M.F. Calculation of hydrologically sound digital elevation models. In: Third International Symposium on Spatial Data Handling at Sydney, Australia, 1988.

HUTCHINSON, M.F. A new procedure for gridding elevation and stream data with automatic removal of spurious pits. Journal of Hidrology, n.106, p.211-232, 1989.

HUTCHINSON, M.F. Recent Progress in the ANUDEM Elevation Gridding Procedure. In: Geomorphormetry Conference, 2011.

KOT, R.; LEŚNIAK, K. Impact of different roughness coefficients applied to relief diversity evaluation: Chełmno Lakeland (Polish Lowland). Geografiska Annaler: Series A, Physical Geography, v. 99, n. 2, p. 102-114, 2017.

KOT, R. A comparison of results from geomorphological diversity evaluation methods in the Polish Lowland (Toruń Basin and Chełmno Lakeland). Geografisk Tidsskrift-Danish Journal of Geography [online], p. 1-19, 2017.

KOZLOWSKI, S. The concept and scope of geodiversity. Przeglad Geologiczny, v.52, p.833-837, 2004. Disponível: <www.pgi.gov.pl/pdf/pg_2004_08_2_22a.pdf>. Acesso: 10 jan. 2013.

MANOSSO, F.C.; NÓBREGA, M.T. Calculation of geodiversity from landscape units of the Cadeado Range region in Paraná, Brazil. Geoheritage, july 2015, p.1-11, 2015.

MELELLI, L. Geodiversity: a new quantitative index for Natural Protected Areas enhancement. GeoJournal of Tourism and Geosites, n.1, v.13, p.27-37, 2014.

RILEY, S.J.; DEGLORIA, S.D.; ELLIOT, R. A terrain ruggedness index that quantifies topographic heterogeneity. Intermountain Journal of Sciences, v.5, n.1-4, p.23-27, 1999.

SAMPAIO, T.V.M.; AUGUSTIN, C.H.R.R. Índice de Concentração de Rugosidade: uma nova proposta metodológica para o mapeamento e quantificação da dissecação do relevo como subsídio a Cartografia Geomorfológica. Revista Brasileira de Geomorfologia, v. 15, n. 1, p. 47-60, 2014.

SERRANO, E.; RUIZ-FLAÑO, P. Geodivesity. A theoretical and applied concept. Geographica Helvetica – Swiss Journal of Geography, n.3, p.140-147, 2007.

SIBSON, R.A Brief Description of Natural Neighbor Interpolation. In: BARNETT, V. Interpreting Multivariate Data. Chichester: John Wiley, p. 21-36, 1981.

SILVEIRA, R.M.P.; SILVEIRA, C.T.; OKA-FIORI, C. Análise Digital do Relevo empregada no mapeamento de Unidades Geomorfológicas. Geografar, v. 7, n. 2, p. 43-68, 2012.

SHANNON, C.E. A Mathematical Theory of Communication. The Bell System Technical Journal (reprinted). v.27, n.623-656, p.379-423, 1948.

SHANNON, C.E.; WEAVER, W. The mathematical theory of communication. Urbana, IL: University of Illinois Press, 1949.

STANLEY, M. Geodiversity. In: BARETTINO, D., WINBLEDON, W.A.P., GALLEGO, E. (Eds.). Geological heritage: its conservation and management. Madrid: ITGE, p.15-18, 2000.