Autores

Seabra, V.S. (UERJ-FFP) ; Xavier, R.A. (UEPB) ; Dornellas, P.C. (UFP) ; Damasceno, J. (UEPB)

Resumo

O índice de transformação antrópica oferece a possibilidade de analisarmos as pressões decorrentes das mudanças de uso e cobertura da terra sobre quaisquer unidades ambientais e espaciais. Nesta pesquisa, as unidades ambientais investigadas foram as bacias de primeira ordem e vertentes das bacias dos rios Taperoá e Alto Paraíba, no Agreste Paraibano. O mapa de uso e cobertura da terra foi gerado a partir de classificação baseada em objetos de imagem obtida pelo sensor MSI, do satélite Sentinel 2. As bacias de primeira ordem, assim como as vertentes e variáveis morfométricas, foram geradas a partir de modelos disponibilizados pela missão SRTM (1 arc/sec) e utilização da ferramenta Watershed Delineation. Os resultados descrevem a maior parte das bacias como áreas transformadas ou muito transformadas, revelando ainda uma melhor condição das bacias de primeira ordem em relação aos demais recortes, apontando a necessidade de adoção de estratégias de recuperação de algumas áreas.

Palavras chaves

GEOBIA; Análise da Paisagem; Delimitação de Bacias

Introdução

Da necessidade de discutir o ambiente a partir de uma perspectiva holística e integradora, ressurge a discussão da realidade a partir da concepção sistêmica, tendo o a Paisagem como conceito chave. Riábchicov (1976), por exemplo, aponta que a tarefa da Geografia é o estudo das paisagens naturais da superfície terrestre, considerando: suas leis zonais e condições geoestruturais de surgimento; seu desenvolvimento; sua ciclagem de substâncias e energia e; por fim, as intervenções do homem nesta paisagem. O autor aponta ainda que a diversidade de paisagens depende essencialmente das interações entre: calor e umidade; as peculiaridades das morfoestruturas e litologias do terreno; assim como a crescente influência do homem na paisagem. Significa afirmar que esta diversidade está estreitamente relacionada com a história de desenvolvimento da esfera geográfica em seu conjunto, e de suas distintas partes e componentes. Em função da diversidade e volume dos dados, os estudos relacionados aos problemas ambientais carecem de (Geo)informações precisas e atualizadas, criando demandas voltadas para a geração de levantamentos que contextualizem os objetos geográficos e tipologias da paisagem em suas complexidades e diferentes dimensões, ou seja, no espaço e tempo. Para trabalharmos com esse grande conjunto de variáveis, em diferentes escalas e temporalidades, necessitamos de dados atualizados e precisos, além de metodologias capazes de facilitar as análises espaciais, armazenar e resgatar informações com velocidade e criar ambientes de saída para os resultados gerados. Desta forma, este trabalho tem como objetivo central a análise espacial das bacias de primeira ordem das bacias do Rio Taperoá e Alto Paraíba, no Estado da Paraíba, a partir do índice de transformação antrópica (ITA), calculado por mapeamento de uso e cobertura da terra de Imagem Sentinel 2 (04-08-2017) e processamento de modelos de elevação da missão SRTM (1 arc/sec). O ITA foi desenvolvido por Lémechev em 1982 e utilizado por Mateo (1984; 1991), Vicens (1998), Teixeira (2003), Schwenk e Cruz (2008), Rodrigues et al. (2014), entre outros autores, em estudos que objetivavam quantificar a pressão antrópica sobre componentes da paisagem, seja no recorte de bacia hidrográfica, áreas de proteção, ou outras unidades espaciais. O cálculo deste índice utilizando primeiramente como unidade espacial de análise as bacias de primeira ordem, e em seguida as demais áreas de contribuição das bacias, separadas por vertentes, se justifica na importância que as bacias de primeira ordem têm por abrigar as nascentes dos rios, que juntos contribuem para o abastecimento do açude do Boqueirão, que é responsável pelo provimento de água para Campina Grande e de outras 18 cidades do Agreste Paraibano. A bacia hidrográfica do Rio Paraíba está totalmente inserida no Estado da Paraíba, com aproximadamente 20.000 km2. No total a bacia drena totalmente ou parcialmente territórios de 85 municípios, com uma população total da bacia do rio Paraíba é de, segundo o Censo Demográfico do IBGE, de cerca de 1.900.000 habitantes, o que representa 53% de toda população do Estado da Paraíba. Destaca-se também, neste trabalho, a importância do uso de imagens do sensor Sentinel 2, disponibilizadas gratuitamente a partir da Agência Espacial Europeia (ESA), que oferece resoluções espaciais que variam entre 10, 20 e 60 metros nas sus 13 bandas e resolução radiométrica de 12 bits, o que permite mapeamentos em alta-média resolução. Segundo Delegido et. al. (2011) e Santos et. al. (2017) uma das principais vantagens do uso de imagens do Sentinel 2 é a combinação de estreitas faixas espectrais, proporcionadas por quadro canais Red Edge (borda do vermelho) e o tempo de revisita, que contribui para estudos de identificação e monitoramento de coberturas vegetais.

Material e métodos

A análise do ITA por bacias de primeira ordem das bacias dos rios Taperoá e Alto Paraíba teve início com a aquisição da imagem Sentinel 2 de 04-08-2017 através do site da ESA (agência espacial europeia) e do modelo digital de elevação (MDE) SRTM 1 arc-second (aprox. 30m) no portal da Agência Geológica Americana (USGS). Para cobrir toda área de estudos foram necessárias 9 cenas Sentinel 2 e 6 cenas SRTM. Na plataforma ArcGis 10.1 foi construído o mosaico das cenas SRTM, que posteriormente foram submetidos ao processo de delimitação automática de bacias através da ferramenta Watershed Delineation (Delimitação de bacias). Na ferramenta Watershed Delineation (WD) são calculados a camadas de informação de: direção de fluxos; acúmulo de fluxos; limites de bacias; e linhas de drenagem, a partir da atribuição de um limiar, em pixels (células). Depois de gerar a direção de fluxos, e assim determinar o sentido do escoamento, o limiar definirá o número de células acumuladas (fluxo acumulado) necessárias para criar um canal de drenagem e com isso uma bacia hidrográfica. Para extrairmos as bacias dos rios Taperoá e Alto Paraíba, através do WD, foi determinado o limiar de 20.000 pixels. Este valor foi escolhido a partir de comparações com drenagens já existentes, com que fora observado nas imagens Sentinel 2 e também com base em observações de campo e conhecimento da área. As imagens Sentinel 2 também passaram por processo de construção de mosaicos e depois passaram por correção atmosférica no modo SCP DOS do software Quantum GIS (Santos et. al., 2017). Em seguida, foram gerados índices diversos que serviriam como descritores para a classificação da imagem por método GEOBIA. Estes índices foram obtidos por álgebra de mapas, sendo eles: RI (Índice de Vermelhidão) = (red-green)/(red+green); NDWI (Índice da água por diferença normalizada) = (MIR – NIR)/ (MIR + NIR); NDVI (Índice da vegetação por diferença normalizada) = (NIR - red)/ (NIR + red); SAVI (índice de vegetação ajustado ao solo) = (L+1) (NIR - red)/ (NIR + red + L); e, por fim, o BI (índice de Brilho) e o BI2 (Segundo Índice de Brilho), que são respectivamente iguais a, (red + green)/2 e (red + green+ NIR)/3. Além dos índices, foram usados como descritores, na classificação GEOBIA, as médias das bandas espectrais e a amplitude do relevo, que foi obtida a partir do SRTM. O início da classificação se deu por realização de segmentação com parâmetro de similaridade de 125. Em seguida realizou-se amostragem para cada uma das 11 classes diferentes, que foram organizadas em 3 níveis de classificação. No primeiro nível foram classificados os corpos hídricos, nuvens, sombras e outros. Neste nível foram usados como descritores as bandas B2 (azul), B3 (verde), B11 (infravermelho médio), B12 (infravermelho distante), B8A (borda do vermelho 4), amplitude do relevo e o índice SAVI. No segundo nível, separamos a classe “Outros” em Caatingas e Não Caatingas, utilizando como descritores as bandas B11, B12, B5 (borda do vermelho 1) e B7 (borda do vermelho 3). O terceiro nível de classificação se dividiu em duas etapas. Na primeira etapa foram separadas: as caatingas densas secas; caatingas densas verdes; caatingas rarefeitas verdes e pastagens sujas; e pequenos cultivos ou algaroba (espécie invasora presente principalmente nas bordas dos rios). Nesta etapa foram utilizados como descritores a B2, B7, NDWI, SAVI e amplitude do relevo. Na segunda etapa foram classificados: as áreas desmatadas; áreas urbanas; afloramentos rochosos; e caatingas rarefeitas secas e pastagens sujas. Nesta etapa foram utilizados a B2, B11, B12, NDWI e amplitude do relevo. Depois de editado, o mapa de uso e cobertura da terra foi cruzado com as bacias e vertentes, para então ser calculado ITA para cada unidade espacial. O ITA é definido pelo somatório dos percentuais de uso multiplicados pelo nível de transformação dos mesmos, divididos por 100. Ou seja, ITA= ∑ (%uso na bacia x peso)/100.

Resultado e discussão

O resultado gerado pelo WD foi editado para que fossem feitas pequenas correções. Ao final, foram delimitadas 177 bacias de primeira ordem, que representam 69% de toda superfície das bacias, e mais 416 vertentes, que somam no total 31% de toda área. Das 177 bacias de primeira ordem, 94 foram encontradas na bacia do Rio Taperoá, e 83 foram encontradas na bacia do Alto Paraíba. A drenagem final gerou 336 trechos de drenagem, um número muito maior aos 167 trechos de drenagem, encontrados na hidrografia disponibilizada pela Agência Executiva de Gestão das Águas do Estado da Paraíba – AESA. Essa diferença é quase que inteiramente de canais de primeira ordem. Também é importante destacar que a drenagem gerada pelo WD se adequou melhor, em termos de detalhamento e sinuosidade, ao que pudemos observar na imagem Sentinel 2, o que não significa que este é um dado de melhor qualidade, mas que pode significar que o resultado obtido atende melhor em níveis de escala (fig. 1). Dentre as etapas de pré-classificação da imagem, devemos destacar a correção atmosférica aplicada no módulo SCP DOS do software Quantum GIS, já que a mesma apresentou ótimos resultados, melhorando a qualidade das bandas utilizadas como descritores na classificação supervisionada baseada em objeto (GEOBIA). Cruz et. al (2007) apontam que a classificação GEOBIA busca simular técnicas de interpretação visual através da modelagem do conhecimento para identificação de feições, baseada na descrição de padrões identificadores, tais como textura, cor, métrica, contexto. Neste trabalho, os índices calculados para a classificação de uso e cobertura da terra nas bacias do rio Taperoá e Alto Paraíba foram fundamentais para uma classificação mais precisa e otimizada, reduzindo o tempo de mapeamento e esforço de edição. Outro descritor que se mostrou importante foi a amplitude do relevo, calculada pela diferença entre a altitude representada em cada pixel pelo nível de base de cada bacia. Com auxílio da amplitude do relevo foi possível limitar a ocorrência da algaroba (espécie invasora que ocorre próxima aos rios, canais e açudes) às áreas mais rebaixadas, próximas aos açudes e canais de drenagem. Através do mapa de uso e cobertura da terra pudemos observar que o predomínio na área é de Caatingas densas (42%), seguidas de Áreas desmatadas (28%) e Caatingas rarefeitas e pastagens sujas (26,5%). Os pequenos cultivos e algaroba são representados por pouco mais de 2% da área, sendo que os demais usos somam juntos pouco menos que 1% das bacias (fig. 2). O mapa de uso e cobertura da terra foi generalizado e para uma das classes resultantes foram atribuídos os seguintes pesos para o cálculo do ITA: Áreas urbanas = Peso 10; Áreas desmatadas = peso 8; Pequenos cultivos ou algaroba = peso 7; Caatinga rarefeita e pastagens sujas = peso 4; Afloramentos rochosos peso 1; Corpos hídricos = peso 1; e Caatinga Densa = peso 1. A validação do mapa de uso e cobertura da terra se deu a partir de amostragem de 5% de todos os objetos classificados após todas as etapas do mapeamento, inclusive os de edição e generalização por dissolução. Para tal, todos os objetos foram separados por classes, e para cada um de seus polígonos representantes foram gerados centroides. Significa dizer que para cada classe do mapeamento de uso e cobertura da terra foram gerados, para todos seus objetos (polígonos), seus respectivos centroides (pontos), para uma posterior amostragem aleatória e estratificada. Os pontos separados por classes foram submetidos à função Subsetting, do módulo Geostatistical Analyst, do software ArcGis 10.1., que executou a divisão de cada conjunto de pontos aleatoriamente em duas partes, como conjunto de pontos de treinamento e teste. Estipulou-se a seleção de 5% de amostras por objetos de uso e cobertura da terra, perfazendo um total de 1071 amostras. Todos os pontos amostrais selecionados foram exportados para a extensão KMZ, e verificados a partir no Google Earth. Os pontos com usos compatíveis com o que fora determinado na classificação foram considerados acertos, e as incompatibilidades foram julgadas como erros. A validação teve como resultado uma exatidão global de 81,3%, que pode ser considerado muito bom, e índice Kappa de 76%, que determina uma concordância substancial entre as amostras do mapeamento gerado pela classificação GEOBIA e da sua validação no Google Earth. Certamente os resultados são melhores dos que apontam a validação, principalmente por que a última imagem disponível no Google Earth é de outubro de 2013, além de que no Google Earth a resolução é muito mais detalhada, o que certamente exige muito mais do que necessário para a avaliação de sensores com a resolução do Sentinel2. Numa comparação com mapeamento gerado por Seabra et. al (2014), através de imagens Landsat 8 (OLI), observou-se compatibilidade de 85% na representação da Caatinga entre os dois mapeamentos. É importante ressaltar que esta grande correlação foi observada apesar da diferença de resolução dos sensores adotados nos dois mapeamentos, o que acarretou a também na diferença entre as legendas dos mapas. O ITA, que é definido pelo somatório dos percentuais de uso nas bacias (%uso na bacia) multiplicados pelo peso da classe (que representam o grau de transformação), divididos por cem, ou seja, ITA= ∑ (%uso na bacia x peso) /100, apresentou valores entre 1,22 (menor valor encontrado) até 7,69 (maior valor encontrado) nas bacias do Rio Taperoá e Alto Paraíba. A média e a mediana do ITA apresentaram valores bem próximos, sendo 4,69 e 4,72 respectivamente, com um valor de desvio padrão de 1,5. Estes resultados demonstram uma distribuição equilibrada das transformações dentro da área de estudos, com ausência de bacias ou vertentes totalmente transformadas e também de áreas inteiramente preservadas. Os valores encontrados com o ITA foram organizados em 4 classes distintas, divididas por intervalor iguais, sendo elas: - Paisagem Extremamente Transformada (PET): ITA entre 7,51 e 10 - Paisagem Muito Transformada (PMT): ITA entre 5,01 e 7,50 - Paisagem Transformada (PT): ITA entre 2,51 e 5,00 - Paisagem Pouco Transformada (PPT): ITA entre 0 e 2,50 A análise quantitativa do ITA por bacias de primeira ordem do Rio Taperoá e do Alto Paraíba apontou que apenas uma bacia, que representa 0,96 % da área de estudos, apresenta a classificação como PET. Por outro lado, 24 bacias de primeira ordem enquadraram-se como PPT, representando 7,11% da área total. A PMT aparece com 30,94% de toda área, com 61 bacias de primeira ordem, seguida da PT, que apresenta 91 bacias de primeira ordem, mas com uma área que representa 29,75% da área (fig. 3). Em relação às vertentes, temos um quadro um pouco diferente. A PET para as vertentes é encontrada 8 vezes, com uma área bem reduzida, que equivale a 0,55% da área total da bacia. A PPT representa apenas 2,22% da bacia, sendo encontrada em 14 vertentes. A PT volta a ser a mais abundante, sendo encontrada em 130 unidades, representando 17% da área total, seguida pela PMT, encontrada em 147 vertentes, que juntas, representam 11,48% da área total. Fazendo uma análise da distribuição espacial do ITA, podemos perceber que existe as áreas menos transformadas são encontradas, majoritariamente nos divisores das bacias do Taperoá e Alto Paraíba. Por outro lado, as áreas muito transformadas e extremamente transformadas estão distribuídas nos compartimentos mais baixos das bacias, correspondentes às áreas de suavemente onduladas e aplainadas, definidos por Seabra et. al. (2016) para a toda bacia do rio Paraíba (fig. 4). Comparando as bacias do Taperoá e Alto Paraíba podemos perceber, tanto através do mapa de uso e cobertura da terra, quanto no mapa de distribuição do ITA por bacias e vertentes, que a bacias do Alto Paraíba se encontra em melhores condições ambientais.

Mapa de Distribuição do ITA


Bacias de primeira ordem e vertentes


Uso e Cobertura da terra nas bacias do Taperoá e Alto Paraíba


ITA por Vertentes e Bacias de Primeira Ordem

Considerações Finais

A extração de informações através do módulo WD mostrou-se bem eficiente, com resultados muito próximos dos encontrados a partir de outros dados de referência. Torna-se importante a definição de melhores parâmetros de validação e ajustes do modelo, para que se avance mais no sentido da geração de variáveis a partir de modelos digitais com maior precisão e acurácia. A adoção de índices contribui significativamente no processo de classificação pelo método GEOBIA, que se mostrou mais uma vez eficiente, reduzindo em muito o tempo de processamento e esforço de edição final do mapeamento. A validação apontou para um resultado satisfatório, já que o resultado da exatidão global superou o patamar de 81%, e o índice Kappa alcançou o valor de 76%, apontando uma correlação substancial com o que foi observado no Google Earth. Os resultados encontrados no trabalho apontam para a possibilidade de adoção de medidas de proteção para diversas bacias de primeira ordem que possuem boas condições de conservação, para que as mesmas possam contribuir para o melhor funcionamento do Geossistemas inseridos dentro das bacias do rio Taperoá e do Alto Paraíba. Também apoia tomadas de decisão voltadas para a recuperação das bacias eu encontram-se transformadas ou muito transformadas, para que as mesmas retomem suas funções ambientais, dentre as quais destacamos a manutenção das nascentes dos rios.

Agradecimentos

Nossos agradecimentos a todos aqueles que lutam contra o desmonte da universidade pública, gratuita e de qualidade no Brasil. Nossa solidariedade a todas as professoras e professores da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. #UERJResiste.

Referências

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