Autores

Silveira, C.T. (UFPR) ; Silveira, R.M.P. (UFPR)

Resumo

O presente trabalho tem como objetivo realizar a classificação automatizada dos elementos de relevo na bacia do rio Jacareí, estado do Paraná / Brasil, por meio da aplicação da proposta dos geomorphons e avaliar sua representatividade a partir do reconhecimento de campo. O método dos geomorphons analisa a similaridade textural de um modelo digital de elevação (MDE), considerando a variação dos níveis de cinza entre uma célula central e as células vizinhas a partir de ferramentas de visão computacional. Os MDEs utilizados foram os dados do projeto SRTM, versão 4, com resolução de 90 metros e de um modelo digital do terreno (MDT) com resolução de 20m, interpolado pelo método Topogrid da base planialtimétrica na escala 1:25.000. Foram obtidos 9 elementos de relevo: 1) áreas planas, 2) picos, 3) cristas, 4) ressaltos, 5) cristas secundárias 6) encostas, 7) escavado, 8) base de encostas, 9) vales e fossos. Os elementos de relevo demonstraram relação fidedigna com a verificação de campo.

Palavras chaves

modelo digital de elevação; modelo digital do terreno; SRTM

Introdução

A ciência da análise quantitativa da superfície terrestre representa um campo interdisciplinar da geomorfologia que envolve a matemática, as geociências e mais recentemente a ciência da computação (PIKE et al., 2009). Trata-se de um moderno estudo cartográfico-analítico para representação da superfície da Terra por meio da manipulação computacional de valores de elevação do terreno (TOBLER, 2000). Essa abordagem é designada na literatura como geomorfometria (PIKE et al., 2009), modelagem do terreno (LI et al., 2005), análise do terreno (WILSON; GALLANT, 2000), ciência da topografia (MARK; SMITH, 2004) ou análise digital do relevo (SILVEIRA, 2010; SILVEIRA et al., 2012 e SILVEIRA; SILVEIRA, 2016). Seu uso tem sido alicerçado pelo avanço no campo da informática e das geotecnologias, com contribuição do emprego dos Sistemas de Informações Geográficas (SIGs) na análise espacial do relevo e pela disseminação dos Modelos Digitais de Elevação (MDE) com recobrimento global, com destaque para os dados altimétricos oferecidos pelo projeto SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission). Uma das suas importantes vantagens é sua aplicação na classificação digital do relevo, sobretudo em função da redução da subjetividade. Métodos de classificação supervisionados requerem o conhecimento prévio dos processos e feições para a definição dos limiares que podem ser utilizados para a delimitação de unidades ou formas de relevo. Por outro lado, os métodos não- supervisionados de classificação são baseados na abordagem estatística com a finalidade de encontrar a menor área geomorfométrica homogênea (MIHAI, 2012). MacMillan e Shary (2009) destacam que todos os métodos de predição automática de classes de entidades espaciais geomórficas são baseados na criação de regras para o estabelecimento de relações preditivas entre as variáveis de entrada e as classes resultantes. A literatura conta com diversas proposições nesse sentido, dentre elas destacam-se, a classificação não-supervisionada de formas do terreno por meio de uma árvore de decisões proposta por Iwahashi e Pike (2007); o sistema de classificação automatizado de variáveis geomorfométricas organizado em três níveis hierárquicos, apresentado por Reuter (2009) e amparado em Dikau (1991; 1995); a classificação automatizada de dez classes de relevo com uso do Índice de Posição Topográfica (IPT), apresentado por Weiss (2001). Outro método de classificação automatizada foi estabelecido por Jasiewicz e Stepinski (2013). Essa proposta faz analogia entre a classificação textural de uma imagem, com base no arranjo espacial de tons de cinza. Amparados nessa analogia, Jasiewicz e Stepinski (2013) modificaram ferramentas utilizadas na classificação textural, aplicando-as na análise do relevo. Utilizaram o conceito de “Local Ternary Patterns” (LTP), (LIAO, 2010), para identificar elementos de relevo, denominados de geomorphons por analogia ao textons (JULESZ, 1981), que são entendidos como microestruturas fundamentais em uma imagem e constituem os elementos básicos de percepção visual (JULESZ, 1984). Analogamente, os geomorphons são microestruturas fundamentais do relevo. A aplicações desse método no Brasil foi empregado por Robaina et al. (2016) no estado do Rio Grande do Sul e por Robaina et al. (2017) em Tocantins, ambos utilizaram a distribuição e predomínio dos geomorphons para a definição de unidades de relevo.Também foi empregado por Silveira et al. (2018) na classificação automática de elementos relevo no estado do Paraná. Com base no método de classificação apoiado nos geomorphons, o presente trabalho tem como objetivo realizar a classificação automatizada dos elementos de relevo na bacia do rio Jacareí, situada nos municípios de Morretes e Paranaguá, no estado do Paraná / Brasil, fazendo uso de duas distintas bases de dados e avaliar sua representação por meio de reconhecimento de campo.

Material e métodos

Materiais: Os materiais utilizados correspondem às bases de dados, software empregado, câmeras fotográficas para tomada de fotos e equipamento de GPS de navegação modelo Garmin GPSmap 76CSx. As bases foram o Modelo Digital de Elevação (MDE) SRTM versão 4, disponibilizado pelo United States Geological Survey (USGS), com resolução espacial de 3 segundos de arco (90 metros); Modelo Digital do Terreno (MDT) com resolução espacial de 20m gerado por Silveira e Silveira (2017) e arquivos em formato digital na estrutura vetorial da Carta Topográfica Folha Alexandra, MI 2858-2NO, na escala:1:25.000 DSG (1998). O software empregado no trabalho para manipulação e integração dos dados foi o ArcGIS versão 10.1 com a extensão Spatial Analyst (ESRI, 2013) e um navegador de internet para a execução da aplicação online que realizou a classificação dos geomorphons. Método: O método empregado na identificação automatizada dos elementos de relevo utilizou a proposta dos geomorphons apresentada por Jasiewicz e Stepinski (2013), que analisa a similaridade textural de um Modelo Digital de Elevação (MDE), considerando a variação dos níveis de cinza entre uma célula central e as células vizinhas, considerando que se a célula central for maior, assume o valor positivo “+”, se é menor, valor negativo “-”e se for igual seu valor é zero “0”. A primeira leitura e símbolo, atribuído na janela móvel de leitura, corresponde ao vizinho a leste e os subsequentes, correspondem aos vizinhos no sentido anti-horário. Para caracterizar a superfície do relevo, em acordo com Jasiewicz e Stepinski (2013), é necessário também definir a distância e o ângulo de direção dos pontos vizinhos em relação à célula central (ângulos zênite e nadir). Para esse cálculo, são traçados perfis para as principais direções a partir da célula central “lookupdistance” (L), extraídos do MDE. Um ângulo de elevação é um ângulo entre o plano horizontal e a linha que liga a célula central com o ponto no perfil. Em uma elevação com ângulo negativo, o ponto no perfil é mais baixo que o central. Para cada perfil, é calculado o ângulo de elevação “DSL”, com “D” e “L” demonstrando a dependência da direção (D) e da distância (L). O ângulo zênite do perfil é definido por “DϕL=90º–DβL”, onde “DβL” é o ângulo máximo de elevação “DSL”. O ângulo nadir do perfil é definido como “DψL= 90°−DδL”, onde “DδL” é o ângulo mínimo de elevação “DSL”. Assim, o ângulo zênite é um ângulo entre o zênite e a “line-of-sight”, e o ângulo nadir é um ângulo entre o nadir e uma hipotética “line-of-sight”, que resulta da reflexão do perfi l da elevação em relação ao plano horizontal. Ambos são positivos e definidos entre 0° a 180°. Para a classificação dos geomorphons utilizou-se da aplicação online, disponibilizada no endereço eletrônico <<http://sil. uc.edu/geom/app>>. O código da aplicação também está disponível em: http://sil.uc.edu/, podendo ser implementado no ambiente do software GRASS. A aplicação exige um conjunto de dados matriciais e dois valores escalares, livres, como parâmetros. Os arquivos de entrada para a varredura foram o MDE SRTM90 e MDT20. Os dois parâmetros livres são lookup “L” (distância em metros ou célula unidades) e threshold (nivelamento em graus). Para os parâmetros livres, aplicou-se valor de “L” igual a 20 pixels, que equivale a 1.800 metros e “t” igual a 2 graus. Os mesmos valores dos parâmetros foram empregados por Robaina et al. (2016) no estado do Rio Grande do Sul, Robaina et al. (2017) no Tocantins e Silveira et al. (2018) no Paraná. A avaliação da classificação das formas de relevo foi realizada por meio de controle de campo na área de estudo. O emprego desse recurso para a verificação dos resultados visou suprir a ausência de mapas geomorfológicos em escala de detalhe compatível com o trabalho.

Resultado e discussão

Foram obtidas nove classes de elementos de relevo na área de estudo: 1) áreas planas, 2) picos, 3) cristas, 4) ressaltos, 5) cristas secundárias 6) encostas, 7) escavado, 8) base de encostas, 9) vales. A Figura 1-A apresenta o resultado da classificação obtida do MDT20, a Figura 1-B a classificação do MDE SRTM90 e a Figura 1-C o relevo sombreado e rede de drenagem da bacia do rio Jacareí. A Serra do Mar Paranaense é detentora do ambiente com as maiores elevações e maior amplitude altimétrica do estado. Sua evolução é poligenética, com influência de ciclos erosivos que resultaram em superfícies aplainadas e que atualmente estão escalonadas na paisagem, conformando as superfícies de erosão (ou aplainamento), identificadas por Ab’Sáber e Bigarella (1961) e Bigarella et al. (1978), designadas de Pd3 ou Superfície Purunã, Pd2 ou Superfície Alto Iguaçu e Pd1 ou Superfície Curitiba. Além disso, constitui um relevo dissecado, caracterizado por elementos de relevo associados ao entalhamento da rede de drenagem, representado pelos geomorphons das classes 7 e 9, que compreende respectivamente aos vales e escavado, também pela presença marcante de feições como cristas, cristas secundárias, topos e encostas (respectivamente os geomorphons 3, 5, 2 e 6). A classificação nesse ambiente foi bem sucedida, pois os picos estão situados sobre as intrusões graníticas, e conjuntamente com as cristas são os remanescentes da superfície Pd3 de Bigarella et al. (1978). Ambos os elementos de relevo são sustentados na paisagem na pela resistência erosiva do corpo granítico, que corresponde aos altos topográficos na área de estudo. As cristas secundárias constituem também áreas elevadas, porém em posição inferior aos picos e cristas, tanto nos divisores de água secundários da margem direita e esquerda da bacia do Jacareí. No modelo de Bigarella et al. (1978), boa parte delas se relacionam ao Pd2. Já o elemento referentes aos escavados (geomorphon 7) corresponde aos fundos de vale dos cursos de drenagem, que nessa região têm controle de falhas, fraturas e diques. O relevo dessa região foi também influenciado por eventos tectônicos, dissecação regressiva do front na face oriental e erosão diferencial condicionada à presença litológica de corpos graníticos, que oferecem maior resistência denudacional (ALMEIDA; CARNEIRO, 1998) e assim sustentam os altos topográficos de maior destaque, representando blocos montanhosos que recebem designações locais, tal como é o caso da Serra da Prata, compreendida na margem direita do rio Jacareí. A foto A da figura 2 demonstra a paisagem que detém as maiores elevações da Serra da Prata, com quase 1500 metros de altitude. Nessa área os geomorphons 2, 3, 5, 6 e 9 representaram os elementos de relevo: picos (2), que constituem os cumes elevados; cristas (3), que fazem a ligação entre os picos; cristas secundárias (5), que correspondem aos interflúvios com posição altimétrica inferior às cristas e aos picos; encostas (6), que se configuram morfologicamente como as feições retilíneas estendida desde os divisores até o sopé da serra; e vales (9), que está condicionados às incisões fluviais. Sob outra perspectiva, do topo para a planície, a foto B da figura 2 evidencia o divisor de água da margem esquerda da bacia, com cotas altimétricas inferiores às da margem direita. Destaca-se a representatividade dos geomorphons 5 (cristas secundárias), 6 (encostas) e, nesse recorte ilustrativo, o geomorphon 9, centralizado, que representa um extenso vale aberto confinado pelas elevações adjacentes. Tanto na aplicação pelo MDE SRTM quanto pelo MDT Topogrid essa feição foi mapeada com destaque. A foto C da figura 2, por sua vez, ressalta o geomorphon 1, vinculado às áreas planas, numa porção de fundo de vale e planície aluvionar da bacia do rio Jacareí. A classificação resultante entre o MDE SRTM e MDT Topogrid apresentou divergências na representação desse geomorphon, já que devido à maior resolução do SRTM a porção plana foi generalizada (representada integralmente como vale). A feição mapeada corretamente, pelo MDT Topogrid, como área plana, coincide com a planície inundada no evento de movimentos de massa ocorrido em 2011, caracterizado como um conjunto de escorregamentos cujo material desprendido foi transportado pelos vales na forma de corridas de detritos, no qual o material mais grosso depositou-se na desembocadura dos canais na forma de cones detríticos, enquanto que o material lenhoso e os sedimentos finos atingiram grandes extensões na planície na forma de corridas de lama (SILVEIRA et al., 2013; SILVEIRA et al., 2014). A questão da generalização fica bem evidenciada pela figura 3, com a representação tridimensional e espacialização dos geomorphons na área de estudo. Embora o MDT Topogrid tenha detalhado alguns elementos do relevo, observa-se que na comparação com o MDE SRTM o padrão central das classes é o mesmo, com variações nos limites derivado das diferenças de resolução. A visualização dos resultados, portanto, deve estar condicionada ao fator de escala que, por sua vez, é proporcional à resolução espacial. Referente à distribuição quantitativa, ilustrada pela figura 4, destaca-se a baixa representação dos seguintes geomorphons: 4) ressalto, 8) base de encosta, 1) área plana e 3) Picos. As áreas planas são de fato pouco representativas no relevo serrano, exceto quando ocorrem nas áreas das planícies fluviais, como é o caso presente na área de estudo; os ressaltos, que representam o geomorphon 4, também são incomuns nesse ambiente, no entanto o geomorphon 8 (base de encosta) era esperado aparecer com maior frequência, demonstrando dificuldade de representação desse elemento de relevo por meio da técnica empregada nessa região. Os picos, geomorphon 2, aparecem em pequena área pois constituem ambientes restritos nas maiores elevações. Corrobora com os resultados obtidos pelos geomorphons as formas de relevo classificadas por Silveira e Silveira (2017), que com o uso de outro método de classificação, o Índice de Posição Topografica (IPT), evidenciaram também, nesse ambiente, a baixa representatividade das áreas planas e a presença expressiva de relevo dissecado com ocorrência de fundos de vales dotados de forte incisão da drenagem; interflúvios elevados ou em forma de cristas elevadas e topos elevados; cristas e interflúvios intermediários.

A) Classificação dos elementos de relevo obtidos do MDT20; B) Classificação dos elementos de relevo obtidos do MDE SRTM90; C) Relevo sombreado.


A) Divisor de água da margem direita da bacia do rio Jacareí; B) Divisor de água da margem esquerda da bacia; C) fundo de vale e planície aluvionar.


Representação tridimensional dos geomorphons na bacia do rio Jacareí obtido do MDT20 Topogrid; B) Obtido do MDE SRTM v4.


Gráfico com a distribuição comparativa em porcentagem dos geomorphons.

Considerações Finais

A aplicação da proposta semiautomatizada dos geomorphons se mostrou representativa e condizente às feições morfológicas observadas na bacia do rio Jacareí, atestada pelos trabalhos de campo e interpretações de trabalhos prévios da Serra do Mar Paranaense. Por ser uma região com grandes contrastes geomorfológicos, os resultados obtidos tanto pelo MDT Topogrid (de melhor qualidade) quanto pelo MDE SRTM demonstraram potencial para reconhecimentos geomorfológicos preliminares, com parâmetros predeterminados, que pode reduzir a subjetividade empregada na definição das classes e também o tempo de mapeamento. A limitação do método na área de estudo foi registrada pela baixa representação do elemento de base de encosta (geomorphon 8), em ambos os modelos, e pela omissão das áreas planas (geomorphon 1) e extrapolação de limites das feições na matriz resultante do MDE SRTM. Ressalta-se, portanto, que a qualidade do modelo digital é determinante para a eficácia do método apresentado. Além disso, a resolução espacial condiciona o fator de escala dos produtos derivados da aplicação dos geomorphons.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela disponibilização de recursos, que possibilitou os levantamentos de campo, por meio do Projeto de Mapeamento do Estado do Paraná apoiado em análise digital do relevo, Processo 456244/2014-0.

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