ANÁLISE DO MODELO NUMÉRICO DE TERRENO DO RADAR SRTM NA ÁREA DA FOLHA SA.23-Z-D-I, URBANO SANTOS – MA

Cláudio José da Silva de Sousa¹ (claudio@cecen.uema.br)

Mariana Monteles da Silva¹ (mariana@cecen.uema.br) Karina Suzana Pinheiro Costa1 (karina@cecen.uema.br)

¹UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO

Cidade Universitária Paulo VI, S/N, Tirirical, 65000-970, São Luís/MA

Resumo: Este trabalho objetiva comparar o Modelo Numérico de Terreno (MNT) oriundo da Missão “Shuttle Radar Topography Mission” (SRTM) àquele obtido da digitalização de curvas de nível e pontos cotados, da carta plani-altimétrica SA.23-Z-D-I, escala 1:100.000, correspondente à microbacia do Riacho da Boa Hora, no Nordeste Maranhense. No Sistema SPRING, v. 4.3, Windows, o MNT de altimetria do SRTM, com 90m de resolução especial, foi refinado empregando os interpoladores Bicúbico e Bilinear. Foram criadas grades de declividades, cujos valores foram classificados segundo os limiares estabelecidos pela EMBRAPA (1979), gerando dois mapas de declividade. Da carta plani-altimétrica, foram digitalizadas as curvas de nível e os pontos cotados, sobre os quais foram aplicados procedimentos para criação de dois MNT de altimetria. Um gerado a partir do interpolador média ponderada e o outro oriundo de uma “Triangular Irregular Network” (TIN), sobre a qual foi aplicado o interpolador linear. A partir desses MNT de altimetria foram gerados valores de declividade e agrupados segundo os intervalos de classes propostos por EMBRAPA (1979). Ao término desses procedimentos, verificou-se que os mapas de declividade oriundos do MNT do SRTM mostraram-se superiores àqueles das curvas de nível e dos pontos cotados, destacando-se o resultante do interpolador Bicúbico. Este interpolador capturou melhor as variações do relevo da área de estudo. Dos mapas de declividade gerados a partir das curvas de nível e pontos cotados, o resultante da TIN, com intepolador linear, destacou-se, uma vez que a grade triangular incorporou com maior precisão as linhas de quebra e cristas do relevo da microbacia. Além disso, com os MNT do SRTM, os procedimentos para geração dos mapas de declividade foram realizados com menor custo de tempo e considerável ganho de precisão, quando comparados aos MNT oriundos da digitalização as das curvas de nível e pontos cotados. Palavras-chaves: MNT, SRTM, declividade.

Abstract: This work aims to compare the digital terrain model (DTM) come from the Mission "Shuttle Radar Topography Mission" (SRTM) that obtained from digitization of curves and points quoted level of plan-altimetry SA.23-Z-D-I, scale 1: 100,000, corresponding to the Boa Hora watershed in Northeast Maranhão. In the SPRING system, 4.3, Windows, the MNT of the altimetry SRTM with 90m resolution in particular, was refined using the Bicúbico and bilinear interpolated. Gradient bars were created, whose values were classified according to the thresholds established by EMBRAPA (1979), generating two maps of slope. Planning of the letter-altimetry, were scanned and the level curves of the items listed on the procedures which were applied to create two of MNT altimetry. Generated from a weighted average interpolator and the other from a "Triangular Irregular Network (TIN), which was applied on the linear interpolator. From this MNT altimetry of slope values were generated and grouped according to intervals of classes offered by EMBRAPA (1979). At the end of these procedures, we found that the maps of the slope from the MNT SRTM proved to be superior to those of standard curves and points quoted, mainly resulting from the interpolator Bicúbico. This interpolator better captured changes in emphasis of the study area. Slope of the maps generated from the level curves and points quoted, the result of the TIN, with interpolator linear, stood out as the triangular grid has a more precise line breaks and crests of the relief of the watershed. Furthermore, with the MNT SRTM, the procedures for generation of maps of slope were made with lower cost of time and considerable gain in accuracy when compared to the MNT from the digitization of the level curves and points quoted. Keywords: MNT, SRTM, slope.

1 INTRODUÇÃO

Um Modelo Numérico de Terreno (MNT) é utilizado para denotar a representação quantitativa de uma

grandeza que varia continuamente no espaço. Dados de relevo, informações geológicas, levantamentos de

profundidades do mar ou de um rio, informações meteorológicas e dados geofísicos, e geoquímicos são

exemplos típicos de fenômenos representados por um MNT.

A geração de um MNT pode ser dividida em duas etapas: (a) aquisição das amostras ou amostragem e (b)

geração do modelo propriamente dito ou interpolação. Após a geração do modelo, podem-se desenvolver

diferentes aplicações (FELGUEIRAS, 2006).

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A amostragem compreende a aquisição de um conjunto de amostras representativas do fenômeno de

interesse. Geralmente essas amostras estão representadas por curvas de isovalores e pontos

tridimensionais. A interpolação envolve a criação de estruturas de dados e a definição de superfícies de

ajuste com o objetivo de se obter uma representação contínua do fenômeno a partir das amostras. Essas

estruturas são definidas de forma a possibilitar uma manipulação conveniente e eficiente dos modelos

pelos algoritmos de análise contidos em Sistema de Informação Geográfica (SIG). As estruturas de dados

mais utilizadas são as grades regulares e a malha triangular (NAMIKAWA et al. 2003).

As estruturas de dados modelos digitais de terreno mais utilizados na prática são os modelos locais: grade

regular e malha triangular. A grade regular é um modelo digital que aproxima superfícies através de um

poliedro de faces retangulares. Os vértices desses poliedros podem ser os próprios pontos amostrados,

caso estes tenham sido adquiridos nas mesmas localizações xy que definem a grade desejada. Ainda, os

vértices podem ser estimados os valores de cota de cada ponto da grade a partir do conjunto de amostras

de entrada, através de intepoladores locais ou globais.

Em fevereiro de 2000, deu-se início o Projeto Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), resultante da

cooperação entre a National Aeronautics and SpaceAdministration (NASA) e a National Imagery and

Mapping Agency (NIMA), do Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DOD) e das agências

espaciais da Alemanha e da Itália. (VALERIANO, 2004).

A missão usou o mesmo instrumento utilizado em 1994 no programa Spaceborne Imaging Radar-C/X-

Band Synthetic Aperture Radar (SIR-C/X-SAR), a bordo do ônibus espacial Endeavour. Porém, o arranjo

foi projetado para coletar medidas tridimensionais da superfície terrestre através de interferometria. Para

tanto, a nave foi munida de um mastro de 60m, em cuja extremidade foi instaladas antenas para bandas C

e X, além de melhorados os dispositivos de controle e navegação (VALERIANO, 2004 e 2005; JPL,

2004).

Esses dados disponibilizados através da NASA, foram adquiridos por diversas instituições ligadas à área

de processamento de imagens orbitais de Sensoriamento Remoto, dentre elas, a Embrapa Monitoramento

por Satélites. Esta instituição gerou a partir dos dados SRTM o Projeto Relevo do Brasil, um portal

interativo em que o usuário obtém informações concernentes ao relevo de qualquer região, de qualquer

estado da Federação. (MIRANDA, 2005).

Nesse mesmo portal, a Embrapa disponibiliza gratuitamente os dados originais do SRTM, na escala

1:250.000, previamente geo-referenciados, em formato GeoTIFF e na projeção cartográfica WGS 84, que

podem ser importados para bancos de dados em SIG, assumindo a estrutura de um MNT.

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Assim, tendo em vista o acima exposto, este artigo tem como objetivou analisar as potencialidades do

MNT de altimetria do radar SRTM na caracterização do relevo da microbacia hidrográfica do Riacho da

Boa Hora, na porção nordeste do Estado do Maranhão.

Especificamente, procurou-se avaliar: o refinamento do MNT de altimetria do SRTM empregando

interpoladores lineares: bilinear e bicúbico; o MNT de altimetria criado a partir de amostras de cartas

plani-altimétricas, empregando grades regulares e TIN.; os mapas de declividade criados a partir de MNT

de altimetria do SRTM e das amostras de cartas plani-altimétricas.

2 METODOLOGIA

2.1 Seleção da Área de Estudo

Procedeu-se a seleção da área de estudo, que foi a microbacia hidrográfica do Riacho da Boa Hora, na

região Leste Maranhense, mais precisamente, nos limites dos municípios de Urbano Santos e Anapurus

(Figura 1). Esta área foi eleita por se tratar de uma bacia hidrográfica que apresentou informações

atualizadas organizadas em um banco de dados geográficos e pela facilidade de acesso e apoio logístico.

Figura 1 – Bacia hidrográfica do Riacho da Boa Hora, representada através das imagens orbitais de Sensoriamento Remoto, na composição colorida 5(R), 4(G) e 3(B).

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3.2 Organização do Ambiente de Trabalho

Foi criado o banco de dados Urbano Santos, dentro do Sistema de Processamento de Informações Geo-

referenciadas (SPRING), v. 4.3.1, Windows, tendo como Sistema Gerenciador de Banco de Dados

(SGBD) o Access. Em seguida, definiu-se o Projeto Boa Hora, tendo como parâmetros: projeção

cartográfica UTM; modelo da Terra Córrego Alegre; meridiano central 45° W. GR. e as coordenadas

geográficas da área em estudo.

Fornecidos estes parâmetros, iniciou-se a inserção de dados no SPRING, definindo-se o esquema

conceitual de dados, criando-se classes derivadas das categorias básicas, tal como mostrado na Figura 2.

Para cada categoria, associaram-se planos de informação com representações distintas, de acordo com o

modelo de dados pertencente.

Figura 2 – Modelo de dados inicial no Sistema SPRING, do banco de dados Urbano Santos.

2.3 Geração dos Mapas Temáticos de Declividade a partir do MNT de Altimetria do SRTM

Iniciou-se o processo de modelagem numérica de terreno com a aquisição do MNT na escala 1: 250.000,

correspondente à folha SA-23-Z-D, representado sob a forma de uma grade regular de altimetria, com

resolução de 90 x 90m. Esse MNT foi adquirido através de Miranda (2005). A partir do dado original

(SRTM), geraram-se duas novas grades regulares com resolução de 30 x 30m, a por meio dos

intepoladores Bilinear e Bicúbico.

Concluído o refinamento da grade original, iniciou-se o processo de elaboração dos mapas de declividade.

Foram criados dois mapas correspondentes às grades regulares geradas a partir da aplicação dos

interpoladores Bilinear e Bicúbico.

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Sobre uma carta topográfica, por exemplo, na escala 1: 100.000, a eqüidistância das curvas de nível é dada

pelo ∆V e a distância horizontal entre elas, pelo ∆H. Assim, o cálculo da declividade, em porcentagem, se

dá através da Equação 1.

D = ∆V/ ∆H * 100% (1)

No Sistema SPRING, esse procedimento é realizado automaticamente, tendo com dados de entrada, os

valores de altimetria, no caso em estudo, Missão do SRTM. Os valores de declividade são estruturados

sob a forma de uma grade regular com a mesma resolução do dado de entrada. Posteriormente, os valores

são agrupados em intervalos de classe através de uma operação de Fatiamento, que transforma um MNT

em um dado geográfico Temático (FELGUEIRAS, 2006).

Na literatura são observados classes de declividade, tais como os sugeridos por Ross (1996), De Biase

(1992), EMBRAPA (1979). Os ajustes desses intervalos a uma dada região dependerão das características

de seu relevo e da escala de trabalho (ZUQUETTE, 1987). No estudo em questão, foram adotados os

valores sugeridos pela EMBRAPA (1979) cujos intervalos se seguem: 0 – 3% (relevo plano); 3 – 8%

(relevo suave ondulado); 8 – 20% (relevo ondulado); 20 – 45% (fortemente ondulado); e > 45% (relevo

montanhoso).

2.4 Criação dos Mapas Declividades a partir das Curvas de Nível e Pontos Cotados Foram

digitalizadas as curvas de níveis e pontos cotados referentes à carta topográfica 612, na escala 1:100.000,

SA-23-Z-D-I, Urbano Santos, adquirida através do site do Zoneamento Ecológico- Econômico do Estado

do Maranhão (MIRANDA, 2001).

Tendo as curvas de nível e os pontos cotados digitalizados, procedeu-se a criação de grades regulares de

altimetria utilizando os interpoladores: vizinho mais próximo, média simples, média ponderada, média

ponderada por cota e média ponderada por cota e por quadrante. Selecionou-se para tanto, o interpolador

de média ponderada, baseado em análise visual das imagens em níveis de cinza correspondentes às grades

regulares.

Em seguida, as curvas de nível e os pontos cotados obtidos da carta topográfica digital foram interpolados

pelo método de triangulação irregular (TIN). Logo após, realizou-se a conversão da grade TIN para uma

grade regular de altimetria, aplicando-se os interpoladores: linear, quíntico sem linhas de quebra e quíntico

com linhas de quebra. Semelhantemente, pela observação da imagem relativa às grades regulares, elegeu-

se o interpolador linear.

Foram selecionadas duas grades regulares de altimetria, uma obtida pela interpolação por média

ponderada e a outra a partir da grade TIN, com linhas de quebra, interpolada pelo método linear, a partir

das quais foram geradas duas grades regulares de declividade. Os valores foram agrupados em intervalos

segundo os limiares estabelecidos pela EMBRAPA (1979).

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Por fim, foi realizada a análise comparativa entre os resultados advindos dos dados SRTM com os

resultados alcançados a partir da digitalização da carta topográfica 612. Os procedimentos foram

sintetizados no fluxograma metodológico ilustrado na Figura 3.

Figura 3 – Fluxograma metodológico.

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

No Quadro 1, as Figuras 1a e 1d representam, respectivamente, os MNT do SRTM reamostrados para uma

resolução espacial de 30 x 30m, resultantes dos interpoladores Bicúbico e Bilinear. Os dados reamostrados

são exibidos tendo com background as respectivas imagens em níveis de cinza. Nessas imagens, as

tonalidades altas (claro) representam as áreas de relevo plano a suave ondulado; as tonalidades baixas

(escuro) dizem respeito aos vales, onde percorrem os rios da região.

Embora as representações pareçam semelhantes, aquela gerada pelo interpolador Bicúbico (1a) apresenta

um contraste ligeiramente maior que a produzida pelo Bilinear (1d). Isso é comprovado pelos valores de

variância das grades regulares de altimetria. A do interpolador Bicúbico foi 314,401 e a do Bilinear

312,533. Isso mostrou que a grade gerada pelo primeiro, criou uma superfície que melhor destacou as

feições de relevo da região.

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As Figuras 1b e 1e representam, respectivamente, MNT de declividade originadas a partir dos valores de

altimetria dos interpoladores Bicúbico (1a) e Bilinear (1b), com suas correspondentes imagens em que as

tonalidades altas e baixas representam, respectivamente, as declividades altas (vales dos rios) e baixas

(interflúvios).

As Figuras 1c e 1f ilustram os mapas temáticos criados a partir das grades de declividade resultantes dos

interpoladores Bicubico e Bilinear, respectivamente, que foram agrupados segundo os intervalos de classe

definidos pela EMBRAPA (1979): 0 – 3% (relevo plano); 3 – 8% (relevo suave ondulado); 8 – 20%

(relevo ondulado); 20 – 45% (fortemente ondulado); e > 45% (relevo montanhoso). Observando os mapas,

grande parte da região apresenta relevo plano (verde) a suave ondulado (amarelo).

Os mapas, embora semelhantes, apresentam distribuições em áreas diferenciadas, tal como constatado

pela Tabela 1. Pela análise dos valores, o mapa de declividade gerado a partir da grade de altimetria,

oriunda do interpolador Bicúbico, apresentou valores mais adaptados às características do relevo da área

de estudo. Isso porque as declividades acima de 8% são bastante expressivas na região, estando associadas

aos vales. Os valores em área, para o mapa oriundo a partir do interpolador Bilinear subestimou a

presença dessas classes.

BIC

UB

ICO

a b c

BIL

INEA

R

d e f

Quadro 1 – MNT de altimetria reamostrados pelos intepoladores Bicubico (a) e Bilinear (d); MNT de declividade resultantes dos valores de altimetria dos interpoladores Bicubico (b) e Bilinear (e); mapas tematicos de declividades resultantes dos fatiamento dos valores de declividade, segundo os interpoladores Bicubico (c) e Bilinear (f).

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TABELA 1 – ÁREAS DAS CLASSES DE DECLIVIDADE OBTIDAS DOS INTERPOLADORES BICÚBICO E BILINEAR

CLASSES TEMÁTICAS ARÉAS (km2)

Bicúbico Bilinear Diferença 0 a 3% 1631,008 1733,142 -102,134 3 a 8% 1282,808 1215,168 67,640

8 a 20% 132,377 99,314 33,062 20 a 45% 2,463 1,034 1,429

> 45% 0,003 0,000 0,003

No Quadro 2, as Figuras 2a e 2d apresentam os MNT criados a partir da digitalização das curvas de nível

e dos pontos cotados da carta topográfica 612, utilizando-se os interpolados por média ponderada e por

TIN – linear, respectivamente. Eles são exibidos através de suas imagens em níveis de cinza, em que os

tons claros e escuros representam as altitudes maiores e menores.

MÉD

IA P

ON

DER

AD

A

a b c

TIN

- LI

NEA

R

d e f

Quadro 2 – MNT resultante do interpolador de média ponderado (a) e TIN – linear (d); MNT de declividade resultantes dos valores de altimetria dos interpolador média ponderada (b) e TIN-Linear (e); mapas temáticos de declividade resultantes do fatiamento dos valores de declividade, segundo os interpoladores média ponderada (c) e TIN-linear (f).

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Partindo-se das curvas de nível e pontos cotados e gerando-se uma grade regular, o interpolador que

apresentou melhores resultados visuais foi o de média ponderada. Este interpolador capturou melhor as

variações do relevo da área de estudo. Por outro lado, a grade regular gerada a partir da TIN, empregando

o interpolar linear, também representou o relevo segundo suas variações locais. Porém, quando comparado

ao resultado obtido segundo o interpolador média ponderada, verificou-se que um maior detalhamento dos

padrões de relevo. Isso pode ser comprovado pela análise das Figuras 2a e 2d, em que na segunda, as

variações altimétricas do relevo são mais detalhadas.

As Figuras 2b e 2e ilustram as grades de declividades obtidas das grades de altimetria relacionadas aos

interpolares média ponderada (2a) e linear (2d). As imagens em níveis de cinza ilustram as variações dos

valores de declividade. As áreas de relevo plano a suave ondulado são observadas em tonalidade baixas e

altas, respectivamente.

As Figuras 2c e 2f referem-se aos mapas temáticos oriundos das grades de declividades resultantes do

interpoladores média ponderada (2b) e TIN-linear (2e), respectivamente. Os valores foram agrupados

segundo as classes propostas pela EMBRAPA (1979): 0 a 3% (relevo plano); 3 a 8% (relevo suave

ondulado); 8 a 20% (relevo ondulado); 20 a 45% (fortemente ondulado) e > 45% (relevo montanhoso).

Embora as distribuições das classes de declividade nos mapas 2c e 2f sejam semelhantes, no primeiro,

houve uma redução da classe de 3 a 8%, correspondente ao relevo suave ondulado, que contorna os canais

de alguns rios no entorno da microbacia. Já no segundo (2f), essa faixa de valores de declividade foi mais

expressiva e condizente ao modelado da microbacia.

Sob o ponto de vista do conteúdo informativo, a Tabela 2 apresenta a distribuição em área das classes

temáticas em cada um dos mapas de declividade: o oriundo do interpolador média ponderada e o outro do

linear. As áreas de relevo plano (0 a 3%) foram superestimadas em detrimento das áreas de relevo suave

ondulado (3 a 8%), sendo estas mais presentes no mapa obtido do interpolador linear, conforme análise

visual. TABELA 2 – ÁREA DAS CLASSES DOS MAPAS DE DECLIVIDADE OBTIDAS DOS INTERPOLADORES MÉDIA

PONDERADA E LINEAR

CLASSES TEMÁTICAS ÁREAS (km2)

Média Ponderada Linear Diferença 0 a 3% 2840, 204 2741, 928 98, 276 3 a 8% 187, 775 260, 721 -72, 945

8 a 20% 34,11 19,02 15,09 20 a 45% 21,25 0, 779 20, 471

> 45% 0, 216 0, 034 0, 182

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5 CONCLUSÕES

Os mapas de declividade gerados a partir da digitalização das curvas de nível e dos pontos cotados da

carta topográfica 612 apresentaram nível de detalhamento inferior àqueles elaborados a partir dos dados

da Missão SRTM. Dentre os mapas de declividade gerados com dados SRTM, o oriundo do interpolador

Bicúbico capturou com maior fidelidade as variações do relevo presentes na área de estudo, permitindo

um mapeamento temático com maior riqueza de detalhes. A aplicação de dados SRTM em levantamentos

geomorfólogicos dinamiza o processo metodológico, reduzindo o tempo de execução, aumentando a

qualidade e precisão dos mapas finais.

Tendo como dados de entrada as curvas de nível e os pontos cotados da carta topográfica digital, os

valores de declividade que capturam melhor as variações do relevo da área de estudo foram àqueles

obtidos da TIN com linhas de quebra, seguida, da geração de uma grade regular com interpolador linear.

A grade regular de altimetria criada do interpolador média ponderada produziu dados de declividade que

superestimaram as áreas de relevo plano.

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