Freire_ Lage_ Christófaro (2013) - Comparação Entre Parâmetros Morfométricos de Bacias Hidrográficas Ge

Comparao entre parmetros morfomtricos de bacias hidrogrficas gerados por

dados SRTM e ASTER GDEM: estudo de caso para bacias do Vale do

Jequitinhonha-MG.

Aline Jardim Freire

Gustavo Bretas Lage

Cristiano Christfaro

Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri - UFVJM

Rodovia MGT 367 - Km 583, n 5000 - Alto da Jacuba

Diamantina/MG - CEP 39100-000

[email protected]

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Abstract:.This study compared the influence of image resolution SRTM and ASTER in

morphometric analysis of five sub-basins of the river Jequitinhonha: Ribeiro Carabas,

Ribeiro Ilha do Po, Ribeiro Prates, Ribeiro Pasmado e Ribeiro Santo Antnio. The

hydrography of the sub-basins was extracted from both types of images. Morphometric

variables were calculated from the sub-basins, including: perimeter, area, coefficient of

compactness, total length of canals, slope and drainage density. It was possible to visualize

the areas and perimeters of the sub-basins were observed did not differ significantly.

Compactness all coefficient values obtained were higher for unit 1, indicating that the sub-

basins are elongated shape. Comparing the lengths of channels between the SRTM and

ASTER images, we can see a considerable difference. The values obtained in ASTER images

tend to be higher, ie, due to a better resolution of the image resulting in a more detailed

delineation of the basins. The results of the drainage density calculations show that the sub-

watersheds have low density. It is notable that generate high resolution images in more detail

in the definition of basins, however, in some cases, these details large, difficult to visualize

and understand the basin generated.

Introduo

A gua um recurso natural fundamental para a sobrevivncia humana e o

desenvolvimento da sociedade. Nos continentes, em seu estado lquido, a gua encontra-se

encerrada, de maneira no definitiva em lagoas, lagos, infiltrada no subsolo e nos rios, os

quais unidos rede de drenagem formam a bacia hidrogrfica, a qual delimitada pela

topografia do terreno. Nesse compartimento natural, os recursos hdricos constituem

indicadores das condies dos ecossistemas, no que se refere aos efeitos do desequilbrio dos

respectivos componentes (Souza et al., 2002).

A anlise das caractersticas morfomtricas das bacias hidrogrficas muito

importante para um melhor entendimento da dinmica dos recursos. De acordo com Tonello

et al. (2006), as caractersticas fsicas e biticas de uma bacia exercem relevante papel nos

processos do ciclo hidrolgico influenciando a infiltrao, a quantidade de gua produzida

como deflvio, a evapotranspirao e o escoamento superficial e subsuperficial.

Anais XVI Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguau, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE

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No passado uma atividade cara e morosa, que exigia muitas horas de trabalho de

campo, os estudos de morfometria de bacias podem, atualmente, ser realizados de modo

manual ou automtico em Sistemas de Informao Geogrfica (SIG) (Cardoso et al., 2006).

Nesses casos, as informaes de relevo so representadas por uma estrutura numrica de

dados correspondente distribuio espacial da altitude e da superfcie do terreno,

denominada modelo digital de elevao (MDE). Esses modelos, por sua vez, so obtidos em

imagens de sensores remotos.

Os modelos digitais de elevao ASTER GDEM (METI & NASA 2009), com 30 m

de resoluo, e SRTM (Miranda, 2005), que possuem 90 m de resoluo, apresentam escala

compatvel para aplicao no planejamento do uso do espao agrcola, gesto ambiental,

manejo de bacias hidrogrficas, entre outros. Dada a facilidade de acesso a esses dados,

diversos estudos vm sendo realizados para comparao entre os modelos de elevao

gerados por diferentes imagens, porm poucos estudos incluem os efeitos desses modelos em

parmetros morfomtricos de bacias hidrogrficas gerados por esses modelos

(Nikolakopoulos et al., 2006).

O objetivo do presente trabalho caracterizar e comparar variveis morfomtricas de

cinco bacias hidrogrficas geradas a partir de dois modelos digitais de elevao distintos:

ASTER GDEM e SRTM, a fim de verificar a influncia da seleo do MDE na caracterizao

dessas variveis.

Metodologia de Trabalho

rea de estudo

A bacia hidrogrfica do rio Jequitinhonha abrange grande parte do nordeste do Estado

de Minas Gerais e pequeno setor do sudeste da Bahia. Est compreendida entre os paralelos

16 e 18S e os meridianos 39 e 44W, totalizando uma rea de 70.315 km. No presente

estudo foram selecionadas cinco sub-bacias hidrogrficas: Ribeiro Carabas, Ribeiro Ilha do

Po, Ribeiro Prates, Ribeiro Pasmado e Ribeiro Santo Antnio.

Figura 1: Localizao da rea de estudo


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Anlises morfomtricas

As anlises morfomtricas das sub-bacias foram feitas considerando os dados

disponveis nas imagens SRTM (Miranda, 2005) e ASTER (METI & Nasa, 2009). A partir de

cada imagem foram calculadas, para cada uma das cinco sub-bacias selecionadas, variveis

morfomtricas de forma (rea, permetro, coeficiente de compacidade), relevo (altitude

mnima, mxima e mdia, declividade mnima, mxima e mdia) e drenagem (comprimento

total dos canais e densidade de drenagem). A rea, o permetro e o comprimento total dos

canais, foram obtidos atravs da delimitao da hidrografia e da rea de drenagem das sub-

bacias. Atravs da extenso Hidrology, foram feitos os processamentos de preenchimento,

fluxo direcionado, fluxo acumulado, e fluxo para caracterizao de cada sub-bacia. Aps a

execuo desses procedimentos, calculou-se os comprimentos dos canais.

O Coeficiente de Compacidade (Kc): a relao entre a forma da bacia com um

crculo. De acordo com Villela e Mattos (1975), esse coeficiente um nmero adimensional

que varia com a forma da bacia, independentemente de seu tamanho. Um coeficiente inferior

ou igual unidade 1 corresponderia a uma bacia circular, para uma bacia alongada, seu valor

seria superior a 1. Para a determinao do Kc utilizou-se a equao:

Kc = 0,28 * (1)

Onde: Kc o coeficiente de compacidade, P o permetro (m) e A a rea de drenagem (m).

A densidade da drenagem consiste na razo entre o comprimento total dos canais e a

rea da bacia hidrogrfica. Segundo Christofoletti (1980), o clculo da densidade importante

para o estudo das bacias hidrogrficas por que apresenta relao inversa com o comprimento

dos rios. medida que aumenta o valor numrico da densidade h diminuio quase

proporcional do tamanho dos componentes fluviais das bacias de drenagem. Equao para

encontrar a densidade da drenagem :

Dd = (2)

Onde: L o comprimento total dos canais e A a rea da bacia.

Tabela 1: Valores de referncia para anlise da densidade de drenagem (Christofoletti,1969).

Classes de valores Interpretao

Menor que 7,5 Baixa densidade de drenagem

Entre 7,5 e 10 Mdia densidade de drenagem

Maior que 10 Alta densidade de drenagem

De acordo com Castro e Lopes (2001), a altitude mdia influencia a quantidade de

radiao que bacia recebe e, conseqentemente, influencia a evapotranspirao, temperatura e

precipitao. Quanto maior a altitude da bacia, menor a quantidade de energia solar que o

ambiente recebe e, portanto, menos energia estar disponvel para esse fenmeno. Alm do

balano de energia, a temperatura tambm varia em funo da altitude; grandes variaes na

altitude ocasionam diferenas significativas na temperatura, que, por sua vez, tambm causa

variaes na evapotranspirao.


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A declividade de uma rea definida como a variao de altitude entre dois pontos do

terreno, em relao distncia que os separa. As classes de declividade geradas neste tema

foram reclassificadas em seis intervalos distintos sugeridos pela Embrapa (1979).

Tabela 2: Classificao do relevo utilizando o critrio de declividade mdia da bacia, segundo

a Embrapa, (1979)

Declividade (%) Discriminao

0 - 3 Relevo plano

3 - 8 Relevo suave ondulado

8 - 20 Relevo ondulado

20 - 45 Relevo forte ondulado

45 - 75 Relevo montanhoso

>75 Relevo forte montanhoso

Os resultados gerados a partir das duas imagens foram comparados tanto

quantitativamente, quanto qualitativamente. As comparaes quantitativas foram feitas aps a

aplicao de teste t pareado entre os resultados de cada varivel morfomtrica nas cinco sub-

bacias. J a comparao qualitativa baseou-se na comparao visual entre os resultados dos

modelos.

Resultados e Discusso

Os resultados das anlises morfomtricas das cinco sub-bacias, executadas a partir dos

MDEs SRTM e ASTER podem ser visualizados na Figura 2 e na Tabela 3.

Sub-bacias do Rio de Jequitinhonha geradas a partir de imagens SRTM

Sub-bacias do Rio de Jequitinhonha geradas a partir de imagens ASTER


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Figura 2 : rea e hidrografia das sub-bacias: Ribeiro Carabas, Ribeiro Ilha do Po, Ribeiro Prates, Ribeiro Pasmado e Ribeiro Santo Antnio.


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Tabela 3: Anlises Morfomtricas das sub-bacias do rio Jequitinhonha

Bacia Ribeiro Prates Ribeiro Pasmado

Ribeiro Santo

Antnio Ribeiro Carabas

Ribeiro Ilha do

Po

Imagem SRTM ASTER SRTM ASTER SRTM ASTER SRTM ASTER SRTM ASTER

rea (km) 405,6 402,4 365,1 364,8 290,2 290,0 149,9 150,0 674,9 670,7

Permetro (Km) 140,8 143, 35 145,0 159,1 108,0 151,8 87,2 98,1 221,0 259,1

Coeficiente de Compacidade

(Kc) 2,0 2,0 2,1 2,3 1,8 2,5 4,5 2,2 2,3 2,8

Comprimento total dos canais

(Km) 344,2 356,3 321,5 891,9 203,6 863,0 110,6 413,4 485,7 2056,5

Densidade de drenagem

(Km/Km)* 0,8 0,9 0,8 2,4 0,7 3,0 0,7 2,8 0,7 3,1

Altitude Mxima (m) 1078 1088 969 979 1060 1054 985 979 1078 1048

Altitude Mnima (m) 534 208 251 250 577 578 415 409 197 208

Altitude Mdia (m) 197 532 555 555 877 866 680 669 534 717

Declividade Mxima (m)* 55 70 55 68 20 63 42 58 51 65

Declividade Mnima(m) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Declividade Mdia (m)* 12 15 13 15 5 8 9 11 8 16

* p < 0,05

De acordo com a Tabela 3, as variveis de forma (rea, permetro e coeficiente de

compacidade) no apresentaram diferena significativa quando geradas pelas imagens SRTM

ou ASTER GDEM. Em relao ao Coeficiente de Compacidade (Kc) das sub-bacias, todos os

valores obtidos foram superiores unidade 1, o que indica que todas as sub-bacias apresentam

tendncia forma alongada (Christofoletti, 1969) .

Na figura 2, nota-se que as imagens ASTER GDEM apresentam uma maior

ramificao dos sistemas de drenagens. Essa diferenciao visual reflete as diferenas

significativas (p< 0,05) verificadas para essa varivel morfomtrica. Essa variao entre os

resultados obtidos para a densidade de drenagem, nas bacias estudadas, pode ser explicada

pela diferena entre a resoluo espacial dos MDEs SRTM e ASTER GDEM. Andrades-Filho

et al. (2009), comparando os sistemas de drenagem gerados em regio do Pantanal brasileiro a

partir de diversas fontes (SRTM, TOPODATA, Carta topogrfica e ASTER GDEM),

recomendaram que o modelo ASTER GDEM no fosse utilizado com essa finalidade dada a

grande diferena constatada em relao s demais fontes. No entanto, esse estudo valeu-se da

verso 1 das imagens ASTER GDEM.

No entanto, quando comparados aos valores de referncia (Tabela 1), constata-se que a

bacia apresenta baixa densidade de drenagem (< 7,5 km/km), independente da imagem

utilizada, indicando rea permevel e de relevo plano e suave. Alm disso, a alterao na

densidade de drenagem no foi suficiente para alterar significativamente o comprimento total

dos canais quando gerados por uma ou outra imagem (Tabela 3). A baixa densidade de

drenagem verificada nas bacias pode estar relacionada a altas taxas de infiltrao (Hott et al.

2007).

Os valores de altitude mxima, mnima e mdia gerados pelas imagens no

apresentaram diferena significativa nas bacias estudadas. De acordo com os estudos de

validao, as imagens ASTER GDEM verso 2 apresentam um desvio negativo da altitude em

relao s imagens SRTM (ASTER GDEM Validation Team, 2011). Esse desvio varia em

funo da cobertura do solo, sendo as maiores discrepncias verificadas sobre corpos dgua. Todas as bacias estudadas apresentaram declividade mnima igual a zero. A

declividade mxima apresentou diferena significativa entre as bacias estudadas (p

de acordo com a imagem utilizada. A declividade mdia variou de 5 a 13%, quando calculada

a partir da imagem SRTM, e de 8 a 16% quando a partir da imagem ASTER GDEM (Tabela

3).

A faixa de declividade mdia calculada para as bacias caracterizam um relevo

variando de suave ondulado a ondulado (declividade mdia menor do que 20%) (Tabela 2).

Ressalta-se que a variao em funo da imagem escolhida foi, em alguns casos, suficiente

para permitir a alterao da classe de declividade da bacia hidrogrfica.

Guth (2006) demonstrou que as imagens SRTM tendem a superestimar a declividade

em reas de relevo suave e subestimar essa varivel em reas de relevo montanhoso. Mais

recentemente, esse autor demonstrou que a verso 1 das imagens ASTER GDEM

compartilham essas mesmas caractersticas (Guth, 2009). No entanto, apesar das influncias

significativas detectadas sobre a declividade mdia e mxima, no foram constatadas, nas

bacias estudadas, diferenas significativas para os valores de altitude mnima, mxima e

mdia entre os MDEs gerados pelas duas imagens.

De modo geral, percebeu-se que a escolha do MDE apresenta potencial de alterao

significativa de alguns parmetros morfomtricos associados ao relevo (declividade mdia e

mxima) e drenagem (densidade de drenagem), considerando as bacias hidrogrficas

analisadas. Assim, estudos de caracterizao hidrolgica de bacias hidrogrficas que

considerem a drenagem e o relevo, devem atentar para essa fonte de variao e incerteza, a

fim de evitar a ocorrncia de desvios nos resultados.

Apesar de estudos recentes recomendarem as imagens SRTM em relao s imagens

ASTER GDEM na caracterizao do relevo, devido aos menores erros associados (Guth,

2006; Guth, 2010, Andrades-Filho et al. 2009), esforos vm sendo realizados para minimizar

os erros relacionados s imagens ASTER GDEM (ASTER GDEM Validation Team, 2011).

Assim, novas comparaes entre os DEMs gerados por imagens SRTM e a verso 2 das

imagens ASTER GDEM devem ser incentivados.

Concluses

Os estudos morfomtricos das cinco bacias hidrogrficas do Rio Jequitinhonha,

realizados a partir de imagens SRTM e ASTER apresentaram resultados estatisticamente

distintos para a densidade de drenagem, declividade mxima e declividade mdia. Em relao

rea, permetro, coeficiente de compacidade, comprimento dos canais, altitude mxima,

altitude mnima, altitude mdia e declividade mnima, no foram detectadas diferenas

significativas.

De uma forma geral, as imagens ASTER geram uma rede de drenagem com maior

detalhamento. Esse maior detalhamento pode levar a classificaes e caracterizaes distintas

da bacia em funo do tipo de imagem utilizada no estudo. Contudo, apesar da diferena

significativa detectada, as diferenas na densidade de drenagem das bacias estudadas no

levaram a alteraes das classificaes das bacias hidrogrficas estudadas em relao s

classes propostas por Christofoletti (1979).

Em relao s variveis de relevo, foram verificadas diferenas suficientes para levar

alterao da classificao da bacia em relao sua declividade mdia, considerando os

critrios da Embrapa (1979).

Portanto, os resultados indicam que a escolha da imagem ASTER GDEM ou SRTM

apresenta um potencial significativo de influncia nos resultados da morfometria de bacias

hidrogrficas, principalmente quando da gerao de variveis de drenagem e relevo. Tal

influncia deve ser considerada como uma fonte de incerteza adicional em estudos

hidrolgicos que dependam dessas variveis. Desse modo, os responsveis por estudos de


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morfometria de bacias hidrogrficas devem ser criteriosos na seleo da imagem a ser

utilizada como modelo digital de elevao.

Agradecimentos

Ao CNPq e FAPEMIG pelas bolsas de Iniciao Cientfica.

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