APLICAÇÃO DE MÉTODOS HIDROACÚSTICOS NA …

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

Centro de Ciências Exatas e da Terra

Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

APLICAÇÃO DE MÉTODOS HIDROACÚSTICOS NA

CLASSIFICAÇÃO TEXTURAL DO FUNDO MARINHO

Autor:

TIAGO RAFAEL DE BARROS PEREIRA

Orientadora:

Dra. HELENICE VITAL (DG/PPGG/UFRN)

Co-Orientador:

Dr. ANDRE GISKARD AQUINO DA SILVA (CAPES/PPGG/UFRN)

Dissertação n.º

164/PPGG.

Natal-RN, Fevereiro de 2016

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEODINÂMICA E GEOFÍSICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

APLICAÇÃO DE MÉTODOS HIDROACÚSTICOS NA

CLASSIFICAÇÃO TEXTURAL DO FUNDO MARINHO

Autor:

TIAGO RAFAEL DE BARROS PEREIRA

Dissertação apresentada em 24 de

fevereiro de 2016, ao Programa de

Pós-Graduação em Geodinâmica e

Geofísica – PPGG, da

Universidade Federal do Rio

Grande do Norte - UFRN como

requisito à obtenção do Título de

Mestre em Geodinâmica e Geofísica,

com área de concentração em

Geofísica.

Comissão Examinadora:

PROFa Dra HELENICE VITAL (DG/PPGG/UFRN)

PROFa. Dra. TEREZA CRISTINA MEDEIROS DE ARAUJO (DOCEAN/UFPE)

PROF. Dr MOAB PRAXEDES GOLMES (DG/PPGG/UFRN)

Natal-RN, Fevereiro de 2016.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRAPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEODINÂMICA E GEOFÍSICA

Dissertação de mestrado desenvolvida no âmbito do Programa de Pós-Graduação

em Geodinâmica e Geofísica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte

(PPGG/UFRN), subsidiada pelos seguintes agentes financiadores:

o Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), Financiadora

de Estudos e Projetos (FINEP) e PETROBRAS, por meio do Programa de Recursos

Humanos da ANP para o Setor Petróleo e Gás (PRH-ANP / MCT);

o PRH-ANP22 - Programa de Formação em Geologia, Geofísica e Informática para o

Setor Petróleo e Gás na UFRN (CTPETRO/PETROBRAS);

o Projeto Plataforma N-NE – Caracterização Fisiográfica da Plataforma Continental

(Rede 05/FINEP/CNPq/CTPETRO);

o Auxílio PQ CNPq – Caracterização Geológica e Geofísica de áreas submersas rasas

do Estado do Rio Grande do Norte (Processos n.º 303481/2009-9);

o Programa Estratégico em Ciências do Mar - “REDE RECIFES (UFRN-UFPE-UFBA) -

Mapeamento e Caracterização de Recifes da Plataforma Continental Juridica Brasileira”

(CAPES Edital 2009 207/2010);

o Projeto PROBRAL – “Erosão Costeira – Estudos comparativos entre a costa norte-

rio-grandense e a costa alemã” (337/2010, CAPES-DAAD);

o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia “Ambientes Marinhos Tropicais”

(Heterogeneidade Espaço-Temporal e Respostas a Mudanças Climáticas

(INCT/AMBTROPIC (CAPES/FAPESB/CNPq)

o Projeto Heterogeneidade Espaço–Temporal da Linha de Costa e do Substrato

Plataformal Adjacente a Ponta Negra, Natal-RN - SOS PONTA NEGRA (CNPQ, Edital

Universal 14/2012, processo 486451/2012-7).

AGRADECIMENTOS

Ao programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica- PPGG, da

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, pela possibilidade de

integrar seu corpo discente.

A Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustível – ANP, por

meio do Programa de Recursos Humanos PRH – 22, pela concessão da bolsa de

Mestrado.

As agencias financiadoras FINEP, PETROBRAS, CAPES, DAAD e CNPq,

através de diferentes projetos e programas (PLAT N-NE, PROBRAL 337-10, Auxilio

PQ, Ciencias do Mar I, INCT AmbTropic), pelo suporte financeiro.

Gostaria de agradecer em primeiro lugar a minha família pelo incentivo,

principalmente à minha mãe pela dedicação incansável de todos os dias.

A minha orientadora, professora Helenice Vital pelas oportunidades,

confiança, suporte e incentivo.

Ao Dr. André Giskard, pela disponibilidade em ajudar na execução de campo,

e discutir e tirar dúvidas durante todo o desenvolvimento deste trabalho em

laboratório.

Ao Professor Moab Praxedes pela disponibilidade em discutir e tirar dúvidas

em questões teóricas a cerca deste trabalho.

A aluna de graduação Naira Barbosa, pela ajuda no processamento dos

dados.

Ao técnico Júnior Silva, pelo suporte e ajuda na aquisição de dados.

Ao mergulhador Francisco Canindé, pela disponibilidade e execução nas

atividades de coleta de sedimentos.

A todos os demais integrantes do laboratório de Geologia e Geofísica Marinha

e Monitoramento Ambiental (GGEMMA), pelo incentivo e apoio durante a execução

deste trabalho.

Resumo

Este trabalho apresenta um mapeamento batimétrico e um mapeamento

textural do fundo marinho, utilizando dados sonográficos e sedimentológicos,

coletados em uma área na plataforma continental adjacente as praias urbanas de

Ponta Negra e Barreira d’água, na cidade do Natal-RN. Dados batimétricos foram

obtidos com diferentes métodos de medição da profundidade (onda direta e

interferometria), de forma a permitir uma comparação entre os dois métodos. Os

resultados obtidos, a partir desse levantamento, mostraram que a profundidade na

área insonificada apresenta variação entre 3m a 13m. A interpretação dos dados de

batimetria permitiu identificar feições submersas, tais como: bancos sedimentares,

dunas e corpos rochosos. A partir do dado de sonografia foi possível identificar

diferentes padrões de retroespalhamento (backscatter). Em alguns casos, foi

possível correlacionar as feições morfológicas e a distribuição dos padrões texturais

com o padrão hidrodinâmico atuante. Adicionalmente, foi realizado um estudo

comparativo entre as classificações texturais automática e supervisionada do dado

de backscatter. Esse comparativo foi subsidiado por dados sedimentológicos,

levando em consideração a granulometria das amostras de fundo. O comparativo

entre classificações supervisionada e automática mostrou disparidades na

identificação dos padrões texturais. Na classificação supervisionada foi possível

identificar 6 padrões, enquanto a classificação automática identificou apenas 4

padrões. Os dados sedimentológicos corroboraram com a classificação

supervisionada, já que foram identificados 6 frações granulométricas nas amostras

de fundo.

Palavras chave: Batimetria, Classificação, Interferometria, Retroespalhamento

Abstract

This work shows a bathymetric mapping and a textural mapping using side

scan sonar and sediment data of a sector of the continental shelf adjacent to Ponta

Negra beach and Barreira D’água beach located at Natal /RN. The Bathymetric data

were collected with different methodologies to calculating the depth: The direct wave

and the interferometry. A comparative between these data was performed and the

result showed different mean depth values. The interferometry methodology was

used to map the entire study area. This mapping showed that the depht varies from

3m to 13m along the study area. The interpretation of bathymatric data allowed

identify seafloor features such as: sand banks parallel to the shoreline, sand dunes

and the rocky cluster. The interpretation of sonography data allowed identify 6

differents patterns of backscatter. Moreover in some cases was possible to correlate

the seafloor features and the patterns of backscatter with the active hydrodynamic

standard. Furthermore was done a comparative study between the automatic textural

classification and the supervised textural classification using the backscatter data.

This comparison is based on the sediment data using the granulometry features. The

comparative show different results in the identification of backscatter’s patterns. The

automatic textural classification identified 4 patterns while the supervised textural

classification identified 6 patterns. The analysis of sediment data is in accordance

with the supervised classification as have been identified six size fractions of

sediment in the bottom samples.

Keywords: Bathymetry, Classification, Interferometry, Backscatter.

ii

Sumário

1 - INTRODUÇÃO................................................................................................................... 2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .......................................................................................

2.1 – Sensoriamento Remoto Acústico.........................................................................

2.2 – Classificação Textural de Imagens.......................................................................

2.3 – Hidrodinâmica Costeira.........................................................................................

2.3.1 - Ondas..........................................................................................................

2.3.2 - Correntes....................................................................................................

2.4 - Formas de Fundo. .................................................................................................. 3 – MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................................

3.1 – Etapa Pré – Campo. ...............................................................................................

3.1.1 – Planejamento de levantamento hidroacústicos ....................................

3.1.2 – Planejamento de coleta de sedimentos. ................................................

3.2 – Etapa de Execução.................................................................................................

3.3 – Etapa de Processamento ......................................................................................

3.3.1 - Processamento dos dados batimétricos ...............................................

3.3.2 - Processamento dos dados sonográficos...............................................

pág. 12 pág. 12 pág. 15 pág. 20 pág. 24 pág. 19 pág. 20 pág. 26 pág. 23 pág. 27 pág. 27 pág. 30 pág. 31 pág. 32 pág. 32 pág. 35

4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................................

4.1 – Comparativo entre métodos hidroacústicos.....…..............................................

4.2 – Batimetria Interferométrica ..................................….............................................

4.3 – Sonografia.....................................................…………………………………………

4.3.1 – Classificação Estatística Supervisionada….……………………………..

4.3.2 – Classificação Automática GLCM....................................…………………

4.4 – Sedimentologia.................................................................................……………… 5 – CONCLUSÕES ................................................................................................................ 6 - REFERÊNCIAS................................................................................................................

pág 38 pág 38 pág 39 pág. 46 pág. 50 pág 53 pág. 55 pág. 61 pág 63

iii

Lista de Figuras

Figura 1.1 - Localização da área de estudo.......................................................................... Figura 2.1 - Esquema de sondagens monofeixe e multifeixe (NOAA, 2007) ...................... Figura 2.2 - Esquema de sondagens por varredura interferométrica (A) e multifeixe (B). .. Figura 2.3 - Geometria do processo Interferométrico……………………….......................... Figura 2.4 - Disposição de transdutores em um sistema interferométrico. Adaptado do Manual Edgetech 4600 (2012) ............................................................................................... Figura 2.5 - Espalhamento do sinal acústico em superfície rugosa. Modificado de Mazel 1985 e Laps 2006........................................……………………………………………………. Figura 2.6 - Parâmetros Estatísticos, fórmulas e suas descrições.......................………...... Figura 2.7 - Diagrama de direção e intensidade das correntes na região de fundeio para campanhas de primavera, outono e verão. A direção das barras segue a convenção oceanográfica e aponta na direção da corrente. Fonte. Ribeio, 2014………………………. Figura 2.8 – Sequência de formas de fundo correlacionada com a respectiva hidrodinâmica. Adaptado de Short (1999) e Porpilho (2015)……………………………...….... Figura 3.1 - Ecobatímetro Multifeixe Seabed 8124. .............................................................. Figura 3.2 – Áreas dos levantamentos hidroacústicos ...............................................……… Figura 3.3 - Sonar Batimétrico interferométrico Edgetech 4600........................................... Figura 3.4 – Mapa de pontos de amostragem de sedimentos ………………….................... Figura 3.5 - Amostrador de fundo Van Veen…………………. .............................................. Figura 3.6 - Lancha Miami (Embarcação utilizada na coleta de dados). .............................. Figura 3.7 - Fluxograma do processamento de dados batimétricos……............................... Figura 3.8 – Efeitos da convolução no mapa batimétrico …………....................................... Figura 3.9 - Fluxograma de Processamento de dados sonográficos. ................................... Figura 3.10 - Aplicação do ganho EGN no dado sonográfico……........................................ Figura 4.1 - Mapa da diferença batimétrica.....…….............................................................. Figura 4.2 - Mapa batimétrico da área de estudo……………………………………………….

pág. 14 pág. 16 pág. 17 pág. 17 pág. 18 pág. 19 pág. 22 pág. 25 pág. 26 pág. 28 pág. 28 pág. 29 pág. 31 pág. 31 pág. 31 pág. 34 pág. 35 pág. 36 pág. 36 pág. 38 pág. 40

Figura 4.3 – Modelo digital do terreno em 3D……………………………………….................. Figura 4.4 – MDT com a interpretação morfológica………....................................................

pág 41 pág 42

iv

Figura 4.5 – Perfil Batimétrico AA’……………………………………………………................. Figura 4.6 – Perfil Batimétrico BB’……………………………………………………................. Figura 4.7 – Perfil Batimétrico CC’……………………............................................................ Figura 4.8 – Feição R2: Aglomerado Rochoso…………........................................................ Figura 4.9 – Perfil Batimétrico DD’…………………………..................................................... Figura 4.10 – Mapa de declividade da área de estudo.......................................……............ Figura 4.11 – Mosaico sonográfico ………............................................................................ Figura 4.12 – Divisão da área de estudo…………................................................................. Figura 4.13 – Níveis de intensidade de reflectância (Nulo, baixo, muito baixo, intermediário, alto e muito alto)..........…………………………..………………………………… Figura 4.14 – Distribuição dos padrões nulo e de baixa reflectância paralelas e perpendiculares a linha de costa........…………………………………………………………….. Figura 4.15 – Marcas Onduladas regulares ……......……...................................................... Figura 4.16 – Marcas Onduladas Irregulares …………………………………………………… Figura 4.17 – Dunas submersas com comprimento de onda variando de 8m a 12 m........... Figura 4.18 – Localização dos padrões texturais utilizados na classificação supervisionada (Padrão 1,2,3,4,5 e 6)…................................................................................ Figura 4.19 – Classificação estatística supervisionada.....................................….........…… Figura 4.20 – Gráfico de distribuição de padrões texturais na classificação supervisionada Figura 4.21 – Classificação estatística automática GLCM...…….......................................... Figura 4.22 – Mapa da Distribuição Sedimentar.………………………………………………. Figura 4.23 – MDT integrado com os dados de backscatter e dados de sedimentologia…..

pág 42 pág. 43 pág. 43 pág 44 pág.45 pág.45 pág 46 pág 47 pág 48 pág 49 pág 50 pág 50 pág 51 pág 52 pág 53 pág 54 pág 55 pág 57 pág 58

v

Lista de Tabelas

Tabela 3.1 - comparativo técnico entre os sensores utilizados…………………………..…. pág. 29

Tabela 4.1 – Comparativo estatístico das batimetrias……………………………………….

pág. 39

1.INTRODUÇÃO

12

O mapeamento de feições morfológicas, da distribuição da cobertura

sedimentar e mais recentemente, da distribuição espacial da biodiversidade marinha

são os primeiros passos para a implantação de projetos como: delimitação de

hidrovias, construção de novos portos, instalação de estruturas para exploração e

produção de hidrocarbonetos e outros recursos minerais, bem como o correto

gerenciamento de zonas costeiras e a proteção e conservação da biodiversidade

marinha diante da ação antrópica (Hasan et al, 2014).

Várias abordagens diretas e indiretas de investigação como sensoriamento

remoto por satélite, filmagens, coleta de amostras de fundo são utilizadas para mapear

o fundo oceânico. Entretanto, por permitir maior acurácia e o total imageamento do

fundo marinho, a técnica indireta do sensoriamento remoto acústico tem sido

amplamente utilizada nesse tipo de estudo. Essa técnica se baseia nos fenômenos de

emissão, transmissão e reflexão da onda acústica (Seabeam Instruments, 2000). Um

sensor instalado em uma embarcação emite um pulso acústico que viaja através da

coluna d’água, e após atingir um obstáculo retorna ao sensor trazendo informações que

podem ser correlacionadas as propriedades físicas, geológicas e biológicas da

superfície refletora e da coluna d’agua (Ayres Neto, 2001).

Até a década de 60 do século XX a sondagem hidroacústica era realizada por

meio da utilização de ecobatímetros monofeixe, onde cada pulso acústico fornece uma

única medida de profundidade, gerando perfis batimétricos localizados na área logo

abaixo do caminhamento das linhas de navegação.

Com a finalidade de aprimorar o mapeamento e classificação do fundo

marinho, foram desenvolvidas durante a década de 1960 as primeiras sondas acústicas

multifeixe que permitem a geração de modelos digitais de terreno (MDT) com resolução

mais apurada por possuir uma capacidade de cobertura de 100% do fundo marinho

(Seabeam Instruments, 2000; Ayres Neto 2001).

Todavia, esses equipamentos possuem uma limitação na abertura angular que

proporciona uma limitação no alcance lateral dos pulsos emitidos. Essa limitação torna

a aquisição de dados hidroacústicos em águas rasas dispendiosa, tanto em relação ao

tempo quanto ao custo de operação. Isso ocorre, pois, o alcance lateral do

equipamento depende de uma relação direta com a profundidade, quanto maior a

profundidade maior o alcance lateral (Wilby, 1999).

13

Dissertação de Mestrado T.R.B. Pereira

Tendo em vista a redução dessa limitação e por consequência, de tempo e

custo no mapeamento de áreas em águas rasas, a indústria tem aperfeiçoado as

sondas multifeixe utilizando a técnica da interferometria como alternativa para a

obtenção de maior cobertura do fundo marinho (Brisson and Wolfe, 2014).

A análise da onda refletida pelo fundo oceânico permite mensurar a

profundidade a partir da medição do tempo de trânsito da onda na água, possibilitando

a confecção de modelos digitais de terreno (Chin e Ota, 2001). Um modelo digital de

terreno é uma representação matemática computacional da distribuição da altitude

medida de uma região de uma superfície (Staley at al, 2014).

A avaliação da onda refletida também nos permite analisar a variação da

textura de fundo por meio do mosaico de retroespalhamento da intensidade de energia

da onda (backscatter) (Blondel, 2009). O mosaico de backscatter é uma imagem

georreferenciada de níveis de cinza, representando o espalhamento da intensidade de

energia da onda acústica causada pela interação da onda com o substrato. Diferentes

tipos de substratos resultam em diferentes tons de cinza vistos na imagem (Hasan et

al, 2014).

A classificação textural da superfície do fundo, por meio do uso de dados de

backscatter, está fundamentada na observação visual das propriedades do sinal de

retorno, o que torna os resultados dependentes da experiência do interprete e,

portanto, portadores de relativa subjetividade (Souza, 2006). Visando diminuir tal

subjetividade, têm-se usado, de forma automática e semi-automática, a estatística para

definir os limites entre diferentes padrões texturais do substrato marinho..

Além disso, a interpretação de dados de sensoriamento remoto acústico, por se

tratar de um método indireto, é intrinsicamente ambígua. A integração de dados diretos

e indiretos é a principal forma de minimizar tais ambiguidades. Neste trabalho foram

analisados de forma integrada, a classificação textural do substrato marinho, a análise

sedimentológica de amostras representativas dos diferentes padrões texturais,

coletadas de forma direta no fundo marinho.

O objetivo geral desta pesquisa foi o mapeamento morfológico do substrato

marinho em uma área da plataforma continental adjacente à praia de Ponta Negra/

Natal-RN (Figura1). O desenvolvimento da caracterização morfológica ocorreu a partir

da aquisição, processamento e análise de dados hidroacústicos de batimetria e de

backscatter.

14


Os objetivos específicos deste trabalho foram:

• Comparar os métodos da onda direta e de interferometria utilizados na

aquisição de dados batimétricos.

• Comparar os métodos de classificação automática e semi-automática, a

fim de avaliar a capacidade de distinguir padrões texturais e os seus

limites em uma imagem de mosaico de backscatter

Os sensores selecionados para este estudo são ecobatímetros multifeixe que

funcionam com diferentes métodos de cálculo da profundidade métodos de

propagação direta (Reson SeaBat 8124) e interferometria (EdgeTech 4600) na

determinação da profundidade. Adicionalmente, foram testados dois métodos de

classificação de fundo baseado no retroespalhamento (backscatter) dos dados medidos

pelo interferômetro do sistema 4600.

A área de estudo está inserida na plataforma continental interna (Coutinho,

1976; Vital et al. 2010; Vital, 2014) e é adjacente a hidrovia utilizada por navios

cargueiros, sendo constantemente passível a derramamento de óleo. Além disso, há

alguns anos está sob forte processo erosivo. Portanto, o conhecimento da morfologia

do substrato marinho é de fundamental importância para projetos de prevenção,

manutenção e recuperação da biodiversidade presente nessa região.

Figura 1.1 – Localização da área de estudo

15


2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

15

2.1 Sensoriamento Remoto Acústico

O sensoriamento remoto acústico consiste na utilização da onda acústica para

a obtenção indireta de dados de uma determinada superfície (Ayres Neto, 2001). Em

áreas submersas (lagos, rios, oceano), essa técnica é utilizada para o estudo do fundo

marinho ou dos estratos em subsuperfície.

A onda acústica consiste na propagação de uma onda de pressão onde o

movimento das partículas é longitudinal a direção da propagação da onda em um

determinado meio.

No sensoriamento remoto acústico marinho, a onda viaja através da coluna de

água até atingir um obstáculo resultando em uma sucessão de fenômenos ondulatórios

(Blondel & Murton, 1997). De maneira geral, ocorrem a reflexão, refração e

espalhamento.

Sendo o primeiro obstáculo o fundo marinho, a primeira reflexão da onda

fornece a informação da profundidade local. Na interação da onda com o fundo

marinho, ocorre o fenômeno de retroespalhamento (backscatter), que resulta na

informação sobre a distribuição espacial de diferentes padrões texturais do fundo

marinho. Além disso, dependendo da frequência, a onda pode penetrar no substrato

marinho, o que resulta no fenômeno da refração. Ao atingir uma superfície refletora

com contraste de impedância em subsuperfície, ocorre novamente a reflexão e

espalhamento. Essa última reflexão nos fornece informações sobre espessura e tipo de

material presente na região (Lurton, 2002).

Há uma variedade de sistemas acústicos utilizados em levantamentos

hidrográficos para medição da profundidade, e podemos classificá-los de acordo com

capacidade de cobertura do fundo marinho em sistemas de feixe simples (ecobatímetro

monofeixe) e sistemas de varredura (Ecobatímetro multifeixe e ecobatímetros

interferométricos) (manual de hidrografia, 2005) (Figura 2.1).

16


Figura 2.1 - Esquema de sondagens monofeixe e multifeixe (NOAA, 2007)

O ecobatímetro multifeixe funciona com base na transmissão de pulsos

acústicos em forma de leque na direção do fundo. O duplo intervalo de tempo entre a

transmissão e a recepção é calculado com recurso de algoritmos de detecção de

fundo. Com a aplicação do traçado do raio acústico é possível determinar a

profundidade (Pereira, 2013).

Os ecobatímetros multifeixe apresentam capacidade de cobertura de 100% do

fundo marinho. Todavia, esses sistemas possuem uma limitação quanto ao alcance

lateral (range). O range é determinado a partir de uma relação direta com a

profundidade de aquisição. Quanto maior a profundidade, maior será o alcance lateral.

Sendo assim, o emprego desse equipamento no mapeamento de fundo em áreas de

águas rasas, se torna bastante dispendioso, deixando a operação muitas vezes inviável

economicamente (Souza et al, 2015).

Como solução desse problema, uma alternativa é o uso de sistemas

interferométricos disponíveis no mercado. Esses equipamentos, em alguns casos,

permitem mapear áreas submersas com varredura lateral equivalente a até 12 vezes a

espessura da coluna d’água (Souza et al, 2015 ;Brisson et. al,2014) (Figura 2.2).

17


Figura 2.2 - Esquema de sondagens por varredura interferométrica (A) e multifeixe (B)

Os ecobatímetros interferométricos utilizam a fase do sinal acústico para medir

o ângulo da frente de onda refletida pelo fundo ou por um alvo. Este princípio difere do

utilizado nos sistemas multifeixe que forma na recepção um conjunto de feixes e efetua

a detecção do fundo para cada feixe, quer por amplitude ou fase, para determinação da

profundidade ao longo da faixa sondada (Hughes Clarke, 2000).

A interferometria está baseada na análise da diferença de tempo entre as fases

de sinais recebidos por duas antenas (geofones) em posições diferentes no espaço. A

partir desses sinais podem ser geradas imagens de amplitude e fase. Essas imagens

formarão o par interferométrico.

Figura 2.3 Geometria do processo Interferométrico

18


A figura 2.3 mostra a geometria de um sistema interferométrico. Um sinal

transmitido e dois receptores separados espacialmente são usados para determinar o

ângulo do eco de retorno.

(1)

A equação 1 mostra como cada ângulo de chegada é calculado. Sendo λ o

comprimento de onda e ΔΦ a diferença de fase. A distância entre os receptores

interferométricos é chamada de linha de base d. Usualmente, assume-se que d é

pequeno em relação ao range, então as frentes de onda refletidas podem ser

consideradas paralelas.

Os interferômetros acústicos possuem dois ou mais agregados horizontais

(Figura 2.4). Cada agregado produz um feixe com grande abertura transversal e com

pequena abertura longitudinal. Um destes agregados de elementos transdutores é

utilizado para a transmissão insonificando uma área do fundo e difundindo a energia

incidente em várias direções. Parte dessa energia será refletida na direção dos

agregados que medem o ângulo relativamente aos transdutores. A distância é também

calculada a partir do tempo de ida e volta observado (Manual de hidrografia, 2005;

Manual Edgetech 4600, 2012).

Figura 2.4 – Disposição de transdutores em um sistema interferométrico. Adaptado de

Manual Edgetech 4600 (2012)

.

O sinal acústico ao atravessar a coluna de água e interagir com a

superfície do fundo marinho passa por um processo de espalhamento (scatter)

19


(Lurton, 2002). Por ser uma superfície irregular (rugosa), o fundo marinho

funciona como um difusor da onda acústica, sendo o espalhamento do sinal de

retorno (backscatter) resultado de uma reflexão desordenada dessa onda.

Segundo Souza (2006), a intensidade do sinal oriundo de fundo é função

tanto da rugosidade do material presente na superfície como também do ângulo

de incidência do sinal emitido. Quanto mais rugosa a superfície e menor o

ângulo de incidência, maior a intensidade do sinal de retorno (figura 2.5).

Figura 2.5: Espalhamento do sinal acústico em superfície rugosa. Adaptado de Mazel (1985) e

Souza (2006)

A relação (impedância acústica) entre as propriedades elásticas da

superfície e as propriedades acústicas do sinal também determina a quantidade

de energia que irá retornar ao sensor. A impedância acústica Z de um sistema

vibratório ou meio de propagação de ondas é a oposição que este oferece à

passagem da onda. Na prospecção sísmica é definida como sendo o produto da

velocidade V pela densidade do meio ρ (Blondel ,2009).

Z = V.ρ (2)

O contraste de impedância entre a água e a superfície do fundo marinho

determina a intensidade da onda refletida. Superfícies densas caracterizam

maior contraste de impedância, produzindo reflexões mais fortes, enquanto

superfícies menos densas, produzem menor contraste de impedância, e por

consequência, reflexões de baixa amplitude (Souza, 2006; Ayres Neto, 2001).

20


O backscatter (BS) é matematicamente descrito como a soma

logarítmica abaixo.

BS = Sb + 10log10(AE) (3)

Onde o coeficiente de retroespalhamento (Sb) é a componente que

representa as propriedades refletivas do fundo, e a AE representa a área efetiva

de retroespalhamento.

A análise da energia que passa pelo processo de backscatter e retorna

ao sensor, contêm informações que podem ser diretamente relacionadas com as

propriedades físicas, biológicas e geológicas da superfície estudada (Collier e

Brown, 2004; Blondel et al, 1998; Cochrane et al, 2002).

2.2 Classificação Textural da Imagem

A análise textural é a extração das características texturais de uma

imagem. O significado de textura varia, dependendo da área da ciência a qual

esta ferramenta é utilizada. Em geral, textura refere-se as características físicas

de um objeto ou a aparência de uma imagem. Na análise de uma imagem,

textura pode ser definida como a variação espacial na intensidade dos pixels

(Tuceryan and Jain, 1998).

A observação visual da imagem de backscatter (mosaico) tem sido o

principal método de classificação geológica do fundo marinho. Entretanto, por

depender da acurácia visual e da experiência do interprete, a subjetividade é

inerente a esse método. Além disso, a depender da quantidade de dados

disponíveis e da velocidade de trabalho do interprete, o processo de

classificação pode demandar um grande intervalo de tempo (Souza, 2006).

Visando diminuir a subjetividade e aumentar a eficiência temporal na

classificação acústica, métodos computacionais estão sendo aplicados nesse

processo (Crosta, 1992).

21


Atualmente, as técnicas de classificação computacional de backscatter,

subdividem-se em supervisionada e não supervisionada (automática)

dependendo do algoritmo aplicado (Moreira, 2003)

A classificação supervisionada é aquela onde o operador faz o

treinamento (reconhecimento espectral de classes) e informa para o software os

padrões espectrais existentes. Quando o usuário utiliza algoritmos para

reconhecer as classes presentes na imagem, a classificação é dita não-

supervisionada ou automática. Neste caso, os "pixels" dentro de uma área são

submetidos a um algoritmo de agrupamento. Este algoritmo assume que cada

grupo ("cluster") representa a distribuição de probabilidade de uma classe.

Seja a classificação supervisionada ou automática, ela pode ser feita

pixel-a-pixel ou por região. Na classificação pixel a-pixel o pixel é considerado de

forma isolada, na classificação por região considera-se tanto a informação

espectral do pixel, como também a de seus vizinhos. Este último classificador

procura simular o comportamento de um fotointérprete ao reconhecer áreas de

texturas homogêneas dentro da imagem. (Moreira, 2003).

Vários métodos para classificação de imagens utilizando características de

textura têm sido propostos na literatura (Nascimento, 2003). Um dos mais

conhecidos e utilizados é o de matrizes de co-ocorrência de níveis de cinza

(gray level co-occurrence matrices) ou apenas GLCM, definido por Haralick,

(1979); apud Tuceryan & Jain, (1998), que atribui os valores do fenômeno em

questão a tons de cinza. Neste método é realizada a correlação dos pixels de

uma imagem com os seus vizinhos, em diversas direções. Com este método é

possível retirar diversos parâmetros como energia, entropia, contrastes e

homogeneidade (Viana, 2009) (Figura 2.6).

22


Figura 2.6 – Parâmetros estatísticos, fórmulas e suas descrições.

As imagens geradas a partir de dados de sensoriamento remoto acústico

são constituídas por um arranjo de elementos sob a forma de uma malha ou

23


grid. Cada célula desse grid tem sua localização definida em um sistema de

coordenadas. O nome dado a cada uma dessas células é pixel (picture element).

Cada pixel representa sempre uma área com as mesmas dimensões.

Cada célula possui um atributo numérico z, que indica o nível de cinza dessa

célula. Esse nível de cinza é conhecido como o contador digital (CD), que

representa a intensidade da energia acústica (refletida pelo fundo marinho)

medida pelo sensor, para a área da superfície correspondente ao tamanho do

pixel. Cabe salientar que o CD de um pixel corresponde sempre à média da

intensidade da energia refletida ou emitida pelos diferentes materiais presentes

nesse pixel.

Uma imagem digital pode então ser vista como uma matriz, de dimensões

x linhas por y colunas, com cada elemento possuindo um atributo z. Geralmente,

na interpretação de imagens de sensoriamento remoto acústico, são utilizadas

três propriedades básicas: a tonalidade (atributo espectral), a textura (atributo

espacial) e o contexto (atributo de contexto). A tonalidade refere-se à cor ou ao

brilho dos objetos que compõem a cena; os tons estão relacionados às

propriedades de reflectância dos materiais superficiais (Beluco,2002).

A textura pode ser definida como uma combinação da magnitude e

frequência da variação tonal em uma imagem, sendo produzida pelo efeito

conjunto de todas as pequenas feições que compõem uma área em particular na

imagem. Embora possam ser consideradas como propriedades independentes,

tonalidade e textura possuem relações próximas, visto que sem variações de

tonalidade, nenhuma mudança em textura poderia ser percebida. Contexto, por

sua vez, refere-se à localização de detalhes de tons, textura e padrões (que são

arranjos de tons e texturas) em relação a atributos conhecidos do terreno.

A textura é a característica da imagem que é utilizada para o

reconhecimento de diferentes padrões de reflectância por meio do uso de

sensoriamento remoto. A textura pode ser caracterizada por variações locais em

valores de pixels que se repetem de maneira regular ou aleatória ao longo de

uma imagem.

24


2.3 Hidrodinâmica Costeira

2.3.1 Ondas

Segundo Santos (2010), não se tem conhecimento sobre medições diretas

de longa duração, de ondas no litoral oriental do estado do Rio Grande do Norte.

Assim, o clima de ondas que afeta o setor da costa pode ser conseguido a partir

de estatísticas sobre ondas publicadas e do conhecimento dos mecanismos

responsáveis pela geração das ondas no Oceano Atlântico Sul.

Davies (1972) identificou duas regiões no Oceano Atlântico Sul, onde as

ondas são geradas. Destas, apenas uma, o cinturão de ventos alísios, parece

exercer uma influência significativa no litoral do Nordeste. São ondas com

direção E-SE, alturas médias entre 1 e 1,5m e períodos de 5 a 7 segundos, em

quase todo o ano.

Diniz (2002) caracterizou as ondas incidentes sobre o litoral leste do Rio

Grande do Norte, tendo identificado que a faixa costeira oriental potiguar é

carente de medições de ondas de longa duração dispondo em maiores detalhes

das ondas de curto e médio prazo. A caracterização é baseada nas medidas

realizadas no período de 1977 a 1979. A altura significativa apresenta uma

distribuição homogênea, em média com 1,14m, moda de 1,10m e desvio padrão

de 0,21m, enquanto o período médio associado a esta altura significativa

apresenta valor mais frequente de 6,2s, uma média de 6,4s e um desvio padrão

de 0,85s.

As ondas estão concentradas em apenas três direções (SE, E, e NE),

sobressaindo-se as ondas de SE como aquelas mais freqüentes e de maior

energia. As ondas do tipo vagas, formadas por influência dos campos de ventos

locais, são amplamente dominantes (69,1% do total), seguidas pelas ondas do

tipo marulhos (11,6% do total) formadas em regiões mais afastadas da costa e

de ondas não classificadas através da metodologia aplicada (19,2% do total). As

ondas de S são de pouca relevância para a costa oriental potiguar, face à sua

linha de costa apresentar orientação geral N-S, segundo Diniz (2002).

25


2.3.2 Correntes

Segundo Ribeiro (2014), as correntes da região de Ponta Negra são

predominantemente de direção Norte, apresentando maiores intensidades no verão,

apresentando mediana de 12,8 m s-1, seguida da primavera 9,3 m s-1 e outono 8,0 m

s-1. Ainda segundo Ribeiro (2014), as correntes ao longo da costa são moduladas

pelos ventos, enquanto a componente através da costa é modulada principalmente

pela maré e secundariamente pelos ventos. O deslocamento residual das correntes é

predominantemente na direção norte e paralelo à linha de costa.

Figura 2.7: Diagrama de direção e intensidade das correntes na região de fundeio para as

campanhas de primavera, outono e verão. A direção das barras segue a convenção oceanográfica

e aponta na direção da corrente. Fonte: Ribeiro, 2014.

26


2.4 Formas de Fundo

Segundo Coutinho (1976), a plataforma interna do Nordeste brasileiro é

limitada pela isóbata de 20m. Situada na zona de transição entre o domínio

continental e marinho, a plataforma interna é influenciada por processos físicos,

químicos, biológicos e geológicos. A morfologia desse ambiente depende

diretamente do equilíbrio entre esses processos.

Segundo Santos (2010), a hidrodinâmica é responsável pelo transporte de

sedimento na plataforma interna, podendo provocar processos deposicionais e

erosivos no leito marinho. Além disso, a hidrodinâmica é responsável pela

modulação do fundo marinho.

A ação de fluxos de correntes (unidirecionais) tendem a gerar formas de

fundo assimétricas, enquanto formas de fundo geradas a partir da ação de

ondas (fluxo bidirecional), apresentam caráter simétrico (Ashley, 1990).

A figura 2.8 apresenta a relação entre as formas de fundo e o padrão

hidrodinâmico predominante em cada região da antepraia, desde a profundidade

de fechamento até a zona de espraiamento.

Figura 2.8 – Sequência de formas de fundo correlacionada com a respectiva

hidrodinâmica. Adaptado de Short (1999) e Porpilho (2015).

3. MATERIAIS E MÉTODOS

27

3.1 Etapa pré-campo

A etapa pré-campo tem por finalidade definir a metodologia e garantir a

qualidade do trabalho por meio do levantamento bibliográfico e do planejamento da

fase de campo. O levantamento bibliográfico foi realizado em periódicos, livros,

relatórios e teses acerca da área de estudo e dos assuntos teóricos abordados nesta

dissertação.

A segunda parte da fase pré-campo foi o planejamento, que consiste na

preparação técnica e logística da aquisição dos dados. Para a elaboração desta

dissertação, foi necessária a realização de coletas de dados batimétricos, sonográficos

e amostras de sedimentos. No total, foram realizadas três campanhas para coleta de

dados, sendo necessária a realização de planejamentos distintos para cada uma delas.

3.1.1 Planejamento de levantamentos hidroacústicos

O planejamento inicia-se com o teste de bancada que se constitui da realização

dos testes e calibração dos equipamentos (em laboratório), bem como o treinamento

do manejo dos equipamentos. Logo em seguida, é realizado o planejamento das linhas,

e a escolha da embarcação. O planejamento das linhas depende do alcance lateral de

cada equipamento.

Foram realizadas duas campanhas de aquisição de dados hidroacústicos. Na

primeira, foi utilizado o ecobatímetro multifeixe Reson 8124 (Figura 3.1). Esse

equipamento possui uma capacidade de cobertura angular de 120°, e capacidade

máxima de varredura lateral de 3 vezes a profundidade, operando na frequência de 200

kHz. Nesta campanha, o espaçamento entre as linhas foi de 2,5 vezes a profundidade.

Foram planejadas, utilizando o software Hypack 2014, 45 linhas medindo 2,5 km,

paralelas à linha de costa e com espaçamento entre elas de 25 m (Figura 3.2). Tal

espaçamento foi utilizado para garantir uma sobreposição de 50% entre linhas

consecutivas. A área total insonificada foi de aproximadamente 3 Km² (Figura 3.2).

28


Figura 3.1 - Ecobatímetro Multifeixe Seabed 8124

Figura 3.2 – Áreas dos levantamentos hidroacústicos.

29


Na segunda campanha, utilizou-se o sonar batimétrico interferométrico

Edgetech 4600 (Figura 3.3), adquirindo simultaneamente dados de sonografia e

batimetria. Tal equipamento tem a capacidade máxima de abertura angular lateral de

200° e capacidade de varredura lateral de 12 vezes a profundidade, e opera na

frequência de 540 kHz

Figura 3.3 – Sonar Batimétrico interferométrico Edgetech 4600

Para a realização deste trabalho, o espaçamento utilizado foi de 8 vezes a

profundidade. Foram planejadas 50 linhas paralelas à linha de costa, com o

comprimento dde 5 Km. O espaçamento entre as linhas variou de 60 m a 80 m de

acordo com a profundidade. No total, a área insonificada foi de 18 Km² (Figura 3.2).

A tabela 3.1 abaixo mostra um resumo das características técnicas do Reson

8124 e EdgeTech 4600.

Tabela 3.1 comparativo técnico entre os sensores utilizados.

COMPARATIVO RESON 8124 EDGETECH 4600

Cobertura linear 3,5 vezes a profundidade 12 vezes a profundidade

Cobertura Angular 120° 200°

Número de Feixes 80 400

Resolução 1 cm 30 mm

Frequência de operação 200 KHz 540 KHz

Nos levantamentos hidroacústicos de batimetria, o uso de componentes

auxiliares é necessário, tendo como objetivo a correção de alguns parâmetros

envolvidos no levantamento. Foi utilizado o compensador de ondas TSS DMS-05

30


fabricado pela Teledyne Odom Hydrographic, para corrigir os efeitos da movimentação

da embarção (pitch, roll, heave). Foi utilizado um DGPS para determinar a posição da

embarcação e consequentemente do dado adquirido. Através de um perfilador de

velocidade do som na água para corrigir os efeitos da variação vertical da velocidade

do som. Por fim, para realizar a correção de maré, foi utilizada uma boia oceanográfica

do tipo S4A que coletou dados de maré a cada minuto ao longo do período dos

levantamentos.

3.1.2 Planejamento de coleta de sedimentos

O planejamento da campanha de coleta de sedimentos, teve como base o

sonograma obtido na aquisição de dados com o interferômetro, a escolha dos pontos

das amostras foi realizada de acordo com a diferença de ecocaráter encontrada ao

longo da área (Figura 3.4).

Figura 3.4 - Mapa de pontos de amostragem de sedimentos

31


No total foram realizadas 13 coletas de sedimentos utilizando um amostrador

de fundo do tipo Van Veen (Figura 3.5). Essas amostras foram utilizadas para verificar

as diferenças nos padrões texturais encontrados no mosaico de backscatter.

Figura 3.5 – Amostrador de fundo Van Veen

3.2 Etapa de Execução

A etapa de execução tem início com a adaptação do equipamento à

embarcação. Como a UFRN não dispõe de embarcação própria, os dados foram

coletados a bordo de lancha Miami, embarcação do tipo troller, destinada a pesca

recreativa, alugada junto a uma empresa local (Figura 3.6).

Figura 3.6 – Lancha Miami (Embarcação utilizada na coleta de dados).

Tendo em vista que a embarcação não é destinada a pesquisa hidrográfica, a

adaptação aos equipamentos se faz necessária.

32


Após a montagem dos equipamentos, foi realizada a medição dos offsets, que

são as distâncias, verticais e horizontais entre os equipamentos, tendo como referência

o compensador de ondas. A medição dos offsets é necessária para simular que todos

os componentes: antena do DGPS, gyro, compensador de ondas e o transdutor

estejam situados na mesma posição na embarcação.

O próximo passo, após a retirada dos offsets, é a realização do patch test.

Nesta etapa é realizado o alinhamento do transdutor em relação a embarcação, e a

calibração do transdutor quanto a medição da posição geográfica por parte do DGPS.

O propósito desta calibração é corrigir erros sistemáticos criados pela diferença entre

os ângulos de montagem dos equipamentos, e pela diferença de posição de montagem

entre os sensores. Um sistema corretamente calibrado irá fornecer a mesma batimetria,

independente de variáveis como: velocidade, direção e movimento da embarcação.

Nos dois levantamentos hidrográficos, o patch test foi realizado no rio Potengi, antes do

deslocamento para área de estudo.

O levantamento hidroacústico utilizando o ecobatímetro Reson 8124 ocorreu

nos dias 16 e 17 de agosto de 2014. A etapa de aquisição ocorreu dentro do planejado,

com a realização de perfis de velocidade do som a cada 4 horas de levantamento.

O levantamento hidroacústico utilizando o sonar batimétrico interferômetro

Edgetech 4600 ocorreu durante os dias 25 a 28 de agosto de 2014. Nessa segunda

campanha de levantamento, o mar não estava em condições ideais, tendo o

compensador de ondas registrado um roll de 16°. No dia 27, pelo informativo de mau

tempo, a aquisição foi cancelada, e os trabalhos foram retomados no dia 28.

Os dados de sedimentologia foram coletados no ano de 2015 após a confecção

do mosaico de backscatter.

3.3 Etapa de Processamento

3.3.1 Processamento dos dados batimétricos

O processamento de dados consiste em aplicar, em um dado bruto, uma

sequência de ações a fim de corrigir variações sistemáticas inerentes as condições

ambientais (variação da profundidade decorrente da variação na altura da maré, e,

variações de salinidade por exemplo), bem como eliminar dados espúrios. Além disso,

no processamento de dados batimétricos, o resultado do processo de detecção do

fundo está diretamente ligado à coleta dos dados de tempo e o ângulo de chegada da

onda sonora (este é feito pelo software do sensor utilizado, portanto, inerente ao

33


equipamento utilizado). Estes dois parâmetros, conjuntamente com a informação do

perfil da velocidade do som na água são informações ambientais utilizadas como

entradas para os algoritmos de traçado do raio sonoro que irão convertê-los em

profundidade.

O processamento deverá ser realizado no intuito de gerar um modelo que se

aproxime cada vez mais da realidade. Para isso deve-se usar todas as fontes

disponíveis de informação. Assim sendo, é necessário assegurar que todos os erros

foram minimizados e que foram aplicadas as correções necessárias que são:

realização da calibração dos desvios (offsets) dos sensores, aplicação dos valores de

velocidade propagação do som na água e aplicação dos valores de maré. (Manual de

Hidrografia, 2005).

Há três tipos de erros que a etapa de processamento tenta minimizar ou

eliminar, são eles: grosseiros, sistemáticos e aleatórios. Os erros grosseiros são

aqueles provocados por falhas ocasionais dos instrumentos e/ou do observador,

facilmente detectáveis por causarem medições anômalas. Os erros sistemáticos são

decorrentes de má calibração dos instrumentos ou de problemas de execução. Em

qualquer dos casos resultam na distorção da medição, alterando todos os resultados e

causando um desvio, geralmente constante, do valor correto. Os erros aleatórios são

acidentais e inevitáveis, encontrados em qualquer observação e provenientes de

causas diversas. Sua influência sobre as observações é aleatória, não permitindo outro

tratamento se não o da análise estatística (Jack, 2006).

Nenhuma etapa da aquisição de dados ocorre de forma isolada. A etapa de

processamento está diretamente ligada as fases antecedentes. A calibração, a

inserção dos offsets e a aquisição dos perfis de velocidade aumentam a confiabilidade

do dado, além de auxiliar no processamento, diminuindo a quantidade de ruído a ser

eliminado.

No processamento dos dados batimétricos desta pesquisa foi utilizado o

software Hypack 2014, mais precisamente a extensão Hysweep editor, seguindo o

fluxograma descrito na figura 3.7.

Abaixo descreve-se, em forma de fluxograma, a rotina de processamento de

dados utilizada neste trabalho.

34


Figura 3.7 – Fluxograma do processamento de dados batimétricos

O processamento inicial ocorreu ainda em campo e foi efetuado através da

verificação de ocorrência de clarões na área sondada. Esse procedimento foi realizado

analisando os arquivos brutos (*.raw) para garantir que toda a área planejada tenha

sido insonificada. Logo após essa verificação, foi realizada a inserção dos offsets no

software. A inserção dos offsets pode ocorrer antes ou depois da coleta dos dados. No

laboratório os primeiros passos foram à inserção da redução da maré pela extensão

Tides do software Hypack 2014 . Em seguida, foi realizada a inserção dos perfis de

velocidade do som, na extensão Sound Velocity dos perfis de velocidade do som

adquiridos em campo.

Outra etapa bastante importante do processamento de dados batimétricos é a

análise das correções dos sensores, que compreende as correções de navegação e

atitude da embarcação. As medidas de arfagem, caturro e balanço (heave, pitch e roll)

são mostradas no editor de atitude da embarcação.

35


O passo seguinte foi à etapa de edição dos dados, onde, manualmente e por

meio de filtros, retiramos as profundidades espúrias (spikes) e erros de posicionamento

(tops) utilizando a extensão Hysweep Editor do Hypack 2014

A última ação utilizando o software Hypack 2014 é a exportação de cada linha

em arquivo *.xyz para a geração do modelo digital de terreno (MDT’s).

Os MDT’s foram gerados no software Oasis Montaj, onde foram gerados grids

por meio do método de interpolação da mínima curvatura. Ainda utilizando o software

Oasis Montaj, foi realizada uma filtragem por meio do uso da convolução 3x3 com o

intuito de diminuir os efeitos do balanço da embarcação nos MDT’s gerados (Figura

3.8).

Figura 3.8 – Efeitos da convolução no mapa batimétrico.

3.3.2 Processamento dos dados sonográficos

Para o processamento dos dados sonográficos, foi utilizado o software

Sonarwiz 5.0 seguindo as etapas descritas no fluxograma da figura 3.9.

36


Figura 3.9 – Fluxograma de Processamento de dados sonográficos

O processamento foi iniciado com a importação dos dados em formato *.HSX

para o programa Sonarwiz 5.0. Na fase de importação dos dados foi determinado o

sistema de coordenadas (datum WGS84, projeção UTM-Zona 25S), bem como a

porcentagem do alcance lateral de cada linha a ser utilizada. Neste trabalho, foi

utilizado 90% do alcance lateral. Em seguida, para a junção dos dados registrados de

cada lado do equipamento (port e starboard), é realizada a correção do fundo marinho

por meio da ferramenta bottom tracking.

Após a importação e aplicação do bottom track em todas as linhas, foi realizada

a normalização utilizando Empirical Gain Normalization (EGN). O EGN é uma função

que gera as médias das amplitudes do dado utilizando todos os pings, uniformizando

as cores de áreas com reflexões semelhantes (Figura 3.10).

Figura 3.10 – Aplicação do ganho EGN no dado Sonográfico.

37


Tendo concluído as etapas anteriores, dar-se início a confecção do mosaico.

Para confecção do mosaico foi utilizada uma gama de ferramentas que o software

disponibiliza como: Split, trim, control channel, entre outras.

Com todas as etapas anteriores efetuadas, obteve-se, por fim, por meio do

módulo de classificação automática de fundo do Sonarwiz 5.0 uma classificação de

fundo utilizando métodos estatísticos que medem parâmetros específicos da imagem.

Para essa classificação, os parâmetros utilizados foram: Desvio padrão, Entropia, auto-

correlação e contraste.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

38

4.1 Comparativo entre Métodos Hidroacústicos

Foram realizados dois levantamentos batimétricos utilizando equipamentos

distintos para determinação da profundidade: O sistema Reson SeaBat 8124

(método de propagação direta) e o sistema EdgeTech 4600 (método interferometria).

Para elaboração do comparativo entre as duas medições foram realizadas

análises estatísticas de cada levantamento sobre a mesma área, apresentando os

seguintes resultados de acordo com a tabela 4.1 e a Figura 4.1.

Figura 4.1 Mapa da diferença batimétrica


39

Tabela 4.1 – Comparativo estatístico das batimetrias

Estatística

Equipamento Reason 8124 Edgetech 4600 Diferença

Máx 10,99 10,07 0,92

Min 7,97 7,78 0,19

Média 10,37 9,86 0,51

Desvio Padrão 0,36 0,38 0,11

Adotando o levantamento batimétrico realizado com a sonda multifeixe

Reson 8124 como sendo referência, pois é o método mais conhecido, mais utilizado

e mais testado, e adotando-se como parâmetro as médias das profundidades

medidas, podemos afirmar que a diferença média nos valores da profundidade entre

os dois levantamentos é de 5%.

A figura 4.1 mostra que a maior diferença na medição da profundidade, é

observada na porção noroeste da área de estudo. Esta diferença diminui com o

aumento da profundidade, na direção leste. Desta forma, as menores diferenças

foram observadas na porção mais profunda da área de estudo e mais afastada da

linha de costa.

A região noroeste da área do comparativo, é também a região mais rasa,

mais próxima à linha de costa e da zona de surf. Por isso, nessa região, foram

registrados os maiores valores de balanços da embarcação (roll, pitch e yaw). Desta

maneira, podemos associar a maior diferença batimétrica nessa região, aos maiores

valores de balanços da embarcação.

4.2 Batimetria Interferométrica

O processamento e a análise dos dados batimétricos obtidos com o

interferômetro resultaram na elaboração de um mapa batimétrico e em um modelo

digital de terreno, apresentando as isóbatas em metros e paralelas a linha de costa

como mostra o mapa batimétrico da figura 4.2 e o modelo digital de terreno (MDT)

na figura 4.3.


40

Figura 4.2 – Mapa Batimétrico da área de estudo.

A profundidade máxima na área é de 13,9m, estando localizada na parte

norte, em uma zona intermediária da área de estudo. A profundidade mínima é de

2.5m, estando localizada ao sul, em uma zona próxima a linha de costa e ao morro

do careca, e a profundidade média da área é de 8,29m.


41

4.3 – Modelo digital do terreno em 3D.

A partir da análise quantitativa e qualitativa do modelo digital do terreno, foi

possível delimitar algumas feições morfológicas de diferentes escalas.

Na figura 4.4 foram descritas quatro estruturas morfológicas: um aglomerado

rochoso e três bancos sedimentares. O aglomerado rochoso foi descrito como R1, e

os bancos sedimentares como B1, B2 e B3, respectivamente. Para a fundamentação

quantitativa da interpretação morfológica, foram traçados perfis contendo as

profundidades e os comprimentos lineares dessas estruturas.


42

4.4 – MDT com a interpretação morfológica

O Perfil batimétrico AA’ (Figura 4.5) foi traçado na região norte da área de

estudo, perpendicular à linha de costa. Desta forma, foram descritas neste perfil, as

feições morfológicas B1, B2 e B3. A análise do perfil batimétrico AA’ nos permite

mensurar a altura e o comprimento perpendicular à linha de costa dessas feições

observadas no perfil.

Figura 4.5 Perfil Batimétrico AA’


43

A feição B1 possui comprimento perpendicular à linha de costa de 1000m e

uma altura de aproximadamente 0,70m. A feição B2 possui um comprimento

perpendicular à linha de costa de 1400m e uma altura de aproximadamente 1.2m. A

feição B3 possui um comprimento perpendicular à linha de costa de

aproximadamente 200 m e uma altura de aproximadamente 1m.

O perfil batimétrico BB’ (Figura 4.6) traçado perpendicular à linha de costa,

em uma zona intermediária da área de estudo, contempla as feições morfológicas

B1 e R2. A feição B1 possui um comprimento paralelo a linha de costa de 3000m e

uma altura máxima de 0,70m. A feição R2 possui um comprimento paralelo a linha

de costa de 500m e uma altura de aproximadamente de 0.90m.

Figura 4.6 – Perfil Batimétrico BB’

A análise do perfil batimétrico CC’ (Figura 4.7), traçado perpendicular à linha

de costa, na região sul da área estudo, próximo ao morro do careca, é possível

identificar características das feições R2 e B2.

Figura 4.7 – Perfil Batimétrico CC’

A feição R2 possui um comprimento perpendicular à linha de costa de

aproximadamente 200m. Podemos associar a feição R2 a um aglomerado rochoso

devido ao tipo de reflexão gerado no dado sonográfico. (Figura 4.8).


44

A feição B2 possui um comprimento perpendicular à linha de costa de

1400m e uma altura de aproximadamente 1,5m.

Segundo Ribeiro (2014), as correntes da área de estudo são paralelas a

linha de costa, no sentido sul/norte. Sabendo disto e analisando a descrição da

feição R2, é possível inferir que ela funciona como um bloqueador ao transporte de

sedimentos, deixando a região do banco sedimentar B1 sem aporte de sedimentos.

A presença desse aglomerado rochoso pode ser o agente formador de um canal,

que já existe na região central da área de estudo.

Figura 4.8 – Feição R2: Aglomerado Rochoso

O perfil DD’ (Figura 4.9) foi traçado para descrever as características

dimensionais do banco sedimentar B2 que se apresentam paralelas a linha de costa.

A análise desse perfil permitiu identificar que a feição B2 possui um

comprimento de aproximadamente 5000m e uma altura máxima de 1.4m.

Além dos parâmetros dimensionais do banco sedimentar B2, foi possível

identificar feições menores na escala de 0,3m de altura, que foram denominadas de

dunas submersas.


45

Figura 4.9 Perfil Batimétrico DD’

A partir do MDT foi possível extrair as informações de declividade da área

(Figura 4.10). Foram obtidos os seguintes valores para declividade máxima, mínima

e média respectivamente: 0,003°; 1,8° e 0,17°.

Segundo WRIGHT e SHORT (1982), a inclinação da plataforma interna pode

ser caracterizada como alta (maior que 30°), moderada (entre 30° e 5°) e baixa ou

plana (menor que 5°).

Segundo Gomes e Vital (2010), é uma característica da plataforma

continental do Rio Grande do Norte (RN) a baixa inclinação, com valores médios

entre 0.2º e 0,5º, o que se confirma neste trecho. Além disso, na área de estudo

foram identificadas rochas aflorantes que podem estar correlacionadas com outras

já identificadas em outras porções do litoral do RN (e.g. Cabral Neto, 2009; Gomes e

Vital., 2010; Vital et al. 2008, 2010).

Figura 4.10 – Mapa de declividade da área de estudo.


46

4.3 Sonografia

A partir dos dados de interferometria foi confeccionado o mosaico no qual

foram identificados os diferentes padrões texturais (Figura 4.11). Nesse mosaico, os

diferentes padrões de retroespalhamento ou backscatter, os quais são

representados por uma escala de variação de tons de uma determinada cor, foram

identificados de forma visual, e através de classificações supervisionadas e

automáticas. Regiões onde ocorre alta atenuação, baixa reflectância da onda

acústica, são representadas por tons mais escuros. Enquanto que regiões de baixa

atenuação, alta reflectância da onda acústica, são representados por tons mais

claros.

Figura 4.11 – Mosaico Sonográfico.


47

Para um melhor entendimento da interpretação visual da distribuição dos

padrões de reflectância, e das formas de fundo, a área foi dividida em três subáreas

de acordo com a distância da costa: Proximal, sendo a zona mais próxima da linha

de costa; Distal, sendo a zona mais afastada da linha de costa; e Intermediária,

sendo a zona interposta entre a zona proximal e a distal (Figura 4.12).

Figura 4.12 – Divisão da área de estudo.


48

Ao analisar visualmente o mosaico, de acordo com o nível de intensidade da

reflectância, foram classificados seis padrões de variação da tonalidade (Figura

4.13).

Figura 4.13 – Níveis de intensidade de reflectância (Nulo, baixo, muito baixo

intermediário, alto e muito alto)

A zona proximal é a que apresenta a maior diversidade quanto ao tipo de

reflectância. No mosaico apresentado é observada a existência de uma

concentração de tons de intensidade nula e de baixa intensidade ao sul da zona

proximal que é abrigada pelo promontório rochoso que circunda o Morro do Careca.

Esse padrão se repete em menor escala em toda a área proximal chegando até o

início da zona intermediária entre a cota batimétrica de 10m e 11m. Em algumas

regiões, esse padrão apresenta disposições paralelas a linha de costa (Figura

4.14B), e em outras regiões está distribuído perpendicularmente à linha de costa

(Figura 4.14A), indicando que diferentes agentes de transporte de sedimento atuam

na área de estudo.

O padrão de distribuição perpendicular à linha de costa de tons de

intensidade de reflectância nulo e baixo (Figura 4.14), possuem tamanho que variam

de 500m a 800m e largura que variam de 30m a 120m. A formação destas feições


49

pode ter relação com a as correntes de retorno que ocorrem ao longo da região de

estudo.

A distribuição paralela à linha de costa, dos níveis nulo e baixo de

intensidade de reflectância (Figura 4.4B), podem estar correlacionadas com a ação

das correntes de direção de sul para norte descritas por Ribeiro et al (2014). Outro

possível agente formador deste padrão distribuição, é a difração das ondas que

ocorre na região, devido ao gradiente batimétrico. Isso pode ocasionar

deslizamentos transportando os sedimentos.

Figura 4.14 – Distribuição dos padrões nulo e de baixa reflectância paralelas e

perpendiculares a linha de costa.

O padrão de alta reflectância está distribuído por toda a área de estudo.

Entretanto, apresenta concentração predominante em duas regiões: na região

central e norte da zona proximal chegando até a cota batimétrica de 9m, e na região

mais distal entre as isobatas de 9m e 10m.


50

Tanto na zona proximal quanto na zona distal, na presença do padrão de

reflexão mais intenso, há a ocorrência de marcas onduladas de comprimento de

onda variando de 0,75m a 1,25m. Essas marcas onduladas são classificadas como

sinuosas regulares e irregulares (Figura 4.15 e Figura 4.16).

Figura 4.15 – Marcas onduladas regulares.

Figura 4.16 – Marcas onduladas irregulares.


51

Na zona intermediária da área de estudo, foi identificado um padrão de

reflectância intermediário com dois tipos de formas de fundo associadas. dunas

submersas de com comprimento de onda variando de 8m a 12m (Figura 4.16).

Figura 4.17– Dunas submersas com comprimento de onda variando de 8m a 12m

4.3.1- Classificação Estatística Supervisionada.

A fim de definir os limites entre padrões de reflectância e a abundância de

cada um deles, foi realizada uma classificação estatística supervisionada com base

nos níveis de reflectância descritos na figura 4.13. Esses níveis foram estabelecidos

apenas visualmente. Segundo Blondel (2009), a variação no nível de reflectância

representa variação no padrão textural. Então, cada nível de reflectância representa

um padrão textural na imagem. A figura 4.17 mostra a localização pontual de cada

padrão textural visualizado.


52

Figura 4.18 – Localização dos padrões texturais utilizados na classificação

supervisionada (Padrão 1, 2, 3, 4, 5, e 6).


53

Figura 4.19 - Classificação Estatística Supervisionada

O padrão P1 foi o que apresentou maior abundancia na imagem, estando

presente em todas as regiões da área de estudo e está associada ao padrão

intermediário de intensidade de reflectância.

O padrão P2 apresentou uma baixa ocorrência, tendo sua presença

predominante na região sul da zona intermediária. Esse padrão está associado a

variação tonal do padrão intermediário de intensidade de reflectância.


54

O padrão P3 está distribuído predominantemente nas zonas proximal e

intermediária da área de estudo. P3 está associado ao padrão nulo de intensidade

de reflectância.

O padrão P4 e P5 ocorrem predominantemente na parte sul da zona

proximal, entretanto, ocorrem também na zona intermediária associada ao padrão

P3. Os padrões P4 e P5 estão associados ao padrão de baixo nível de reflectância.

O padrão P6 apesar de estar presente em toda a área de estudo, ocorre

predominantemente nas zonas proximal e distal, podendo ser associado ao padrão

mais intenso de reflectância.

Na figura 4.19 é apresentado um gráfico mostrando a porcentagem de

distribuição de cada padrão textural identificado na classificação estatística

supervisionada.

Figura 4.20 – Gráfico de distribuição de padrões texturais na classificação

supervisionada.

4.3.2 Classificação Automática GLCM

Outra abordagem utilizada para definir os limites dos padrões de textura da

imagem de backscatter foi a utilização da classificação automática GLCM (Figura

4.20). A partir da utilização dessa abordagem foi possível identificar cinco padrões

de textura.


55

Figura 4.21. Classificação Estatística Automática GLCM.

O padrão P1 é o mais abundante na imagem e está correlacionado tanto

com o padrão P1 da classificação supervisionada quanto ao padrão intermediário de

intensidade de refletância.


56

O padrão P2 da classificação automática está correlacionado com o padrão

P1 da classificação supervisionada e ao padrão intermediário de intensidade

reflectância.

O padrão P3 da classificação automática está correlacionado com o padrão

P4 da classificação supervisionada e ao padrão de alta intensidade de reflectância.

O padrão P4 da classificação automática está correlacionado com os

padrões P2, P3 da classificação supervisionada e aos padrões nulo e de baixa

intensidade da reflectância

Ao analisar o padrão P5 da classificação automática é possível perceber que

esse padrão é observado no caminhamento das linhas. Isso ocorre devido a

marcação da linha d’água no dado sonográfico e não é um padrão textural da

cobertura do fundo marinho e sim um artefato.

4.4 Sedimentologia

Na área de estudo foram identificadas areias de granulometria muito fina,

areia média, areia fina na base com areia média, areia grossa e areia muito grossa e

areia muito grossa com cascalho.

O resultado final mostrou que próximo ao Morro do Careca, na zona

proximal, há predominância de areia muito fina, o que é explicado pelo ambiente

protegido de baixa energia e quase ausência de correntes. Esse sedimento é

possivelmente proveniente da Formação Barreiras, aflorante na base do Morro do

Careca. Na porção norte da zona proximal, adjacente à praia de barreira D’água,

foram encontrados sedimentos de granulometria grossa. Isso pode ser

correlacionado com o ambiente de alta energia, já que essa região não é abrigada e

sofre ação mais intensa das ondas.

A zona intermediária é marcada pela uniformidade quanto a granulometria

dos sedimentos, sendo encontrado predominantemente sedimentos de

granulometria média.

Na zona distal predomina sedimentos de granulometria grossa,

apresentando variações dessa fração granulométrica. Foram encontrados

sedimentos de granulometria grossa, sedimentos de granulometria muito grossa e

sedimentos de granulometria muito grossa com cascalho.


57

Figura 4.22 – Mapa de Distribuição Sedimentar


58

Figura 4.23 – MDT integrado com os dados de backscatter e dados de

sedimentologia.

4.5 Considerações Gerais

Em relação ao comparativo, a diferença encontrada entre as medidas de

profundidade, pode estar correlacionada com a alta taxa de ruído encontrada nas

extremidades do feixe no dado de interferometria. A alta taxa de ruído está

relacionada com a alta taxa de amostragem do equipamento e com a incapacidade

do compensador de ondas utilizado de corrigir totalmente os movimentos da

embarcação.

Além disso, apesar de imagear a mesma área, os levantamentos ocorreram

em diferentes datas, com intervalo de tempo de 1 mês entre eles, e em uma área

submetida a um processo erosivo intenso. Sendo assim, também podemos associar

a diferença nas medições de profundidade a condições ambientais distintas para

cada levantamento.


59

Em relação a morfologia da área, tanto os dados hidroacústicos de

batimetria e sonografia, quanto os dados de sedimentologia mostraram que a

subdivisão da área em zona proximal, intermediária e distal não é apenas

geográfica, mas pode ser também morfológica.

A zona proximal apresentou uma maior heterogeneidade tanto batimétrica,

quanto no padrão de intensidade de reflectância, como também da cobertura

sedimentológica. Nessa região foram encontrados os níveis nulo e alto de

reflectância, bem como sedimentos de granulometria de grossa a muito fino. Essa

heterogeneidade também expressa a presença de diferentes padrões

hidrodinâmicos da região. A análise da integração dos dados apresentados mostra

a influência do promontório rochoso que circunda o morro do careca na

hidrodinâmica, na batimetria e na distribuição sedimentar da região proximal.

A zona Intermediária apresentou uma uniformidade quanto a batimetria,

exceto pela presença do aglomerado rochoso R2. Também apresentou uma maior

uniformidade no padrão de intensidade de reflectância como também na cobertura

sedimentar. O aglomerado Rochoso R2, funciona como um modificador da

hidrodinâmica dessa região, ocasionando mudança na direção das correntes

descritas por ribeiro (2014), gerando a uniformidade da região e diminuído a taxa de

aporte sedimentar. A presença de R2 na região pode ser a explicação para a

formação de um canal bem marcada na zona intermediária.

A zona distal é a região mais exposta da área de estudo, estando submetida

ação mais intensa das correntes descritas por Ribeiro (2014). Nessa região foi

encontrado um banco sedimentar de grande escala que é coberto por sedimentos de

granulometria Grossa a muito grossa com presença de cascalhos. Por isso, foi a

região que apresentou maiores valores de níveis de reflectância.

A utilização das classificações automática e supervisionada mostraram

diferentes resultados quanto aos padrões texturais encontrados na área de estudo.

Enquanto a classificação automática reconheceu apenas 4 padrões texturais, a

classificação supervisionada resultou em 6 padrões texturais. Entretanto, na

distribuição dos padrões, tanto a classificação automática quanto a classificação

semi-automática se mostraram semelhantes.

A partir dos dados sedimentológicos foi possível reconhecer 6 padrões

texturais: Areia muito fina, areia muito fina com areia média, areia média, areia

grossa, areia muito grossa e areia muito grossa com cascalhos.


60

Diante do exposto, podemos afirmar que, apesar da precisão na distribuição

dos padrões texturais, a classificação automática não reconheceu variações dentro

de um mesmo padrão, como a distinção entre areia muito fina e areia fina com areia

média.

Portanto, apesar da sua maior subjetividade, inerente a escolha antrópica

dos padrões, a classificação supervisionada se mostrou mais eficiente.

Em conformidade com os resultados apresentados nesse trabalho, é

possível constatar a importância dos métodos hidroacústicos no mapeamento

morfológico do fundo marinho, bem como no mapeamento da distribuição da

cobertura sedimentar. Também vale salientar a importância da integração dos dados

indiretos com os dados diretos, só por meio desta integração foi possível afirmar

qual tipo de classificação representa melhor a realidade.

5. CONCLUSÕES

61

A realização do comparativo entre os dados batimétricos permitiu confirmar

que: a utilização de equipamentos que se baseiam na interferometria para a

mediação da profundidade gera dados bem semelhantes aos dados adquiridos com

equipamentos que utilizam o método de propagação direta de medição.

Levando-se em consideração o tempo e custo da aquisição, bem como o

interesse em gerar mapas sonográficos, o interferômetro se mostra mais eficaz que

a sonda multifeixe tradicional em águas rasas. Adicionalmente, geração do mapa

sonográfico conjuntamente com o dado batimétrico permite uma maior acurácia no

posicionamento relativo entre os dois dados.

Especificamente para esta área de estudo, recomenda - se a realização de

novo levantamento batimétrico utilizando o interferômetro, a fim de extrair toda a

capacidade de resolução que o equipamento é capaz. Para isso, será necessário um

planejamento de campo com um espaçamento menor entre as linhas.

A configuração do compensador de ondas utilizada no levantamento, além

da direção das linhas de aquisição, se mostrou limitado para a correção dos

movimentos da embarcação (pitch, roll and heave) devido à dinâmica da ação dos

ventos e das ondas da área de estudo. O movimento que mais afetou a qualidade

dos dados foi o Roll, que apresentou uma angulação máxima de 16°.

O mosaico sonográfico gerado a partir dos dados de interferometria permitiu

conhecer a variabilidade da distribuição da cobertura sedimentar da área de estudo.

Esta distribuição foi confirmada com a integração dos dados de sedimentologia.

Também foi gerado um comparativo entre dois tipos de classificação de

imagens empregadas na classificação do mosaico de backscatter. A classificação

estatística supervisionada e a classificação automática GLCM. Apesar de ser mais

rápida e menos subjetiva, a classificação automática não apresentou o mesmo

resultado da classificação supervisionada. Na classificação supervisionada foi

possível identificar 6 classes, enquanto a classificação automática identificou apenas

4 padrões texturais.

Ressalta-se a importância do uso de diferentes tipos de classificação, a fim

de inferir uma maior confiabilidade nesse processo. O comparativo entre as duas

classificações deixou claro a importância da análise visual e da experiência do

interprete. Apesar de a estatística ser precisa, o software Sonarwiz não foi capaz de


62

identificar o número real de classes presente na área de estudo, como demonstrou

os dados de sedimentologia.

Ainda, a partir do dado sonográfico, foi possível inferir a ação de agentes

hidrodinâmicos nessa distribuição e na modelagem do fundo marinho. Foi possível

identificar formas de leito como: marcas onduladas de várias escalas.

Por meio da integração dos dados de sonografia e batimetria

interferométrica foi possível realizar uma melhor classificação morfológica da área de

estudo, sendo identificados bancos sedimentares, bem como afloramentos

rochosos.

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