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MAPEAMENTO DE AMBIENTES DE TERRA FIRME NO DISTRITO FLORESTAL SUSTENTÁVEL DA BR-163 UTILIZANDO O DESCRITOR DE TERRENO HAND.
Taise Farias Pinheiro 1 Camilo Daleles Rennó
1
Maria Isabel Sobral Escada 1
1 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
Caixa Postal 515 - 12245-970 - São José dos Campos - SP, Brasil {taise}@ltid.inpe.br
{camilo, isabel}@dpi.inpe.br Abstract. Accurate topographic data, available with the Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM), is required for the mapping of land at finer scales. In this paper we report on the use of a new quantitative topographic algorithm, called HAND (Height Above the Nearest Drainage). The HAND requires a hydrological coherent DEM as input, with resolved depressions, computed flow directions for each grid and a defined drainage network. We use the HAND algorithm on SRTM DEM topographic data for partitioning terra firme areas according to drainage conditions. In the regional scale (DFS-BR163 area) there is a large altitude variation, and we can find wet and dry points in the same altitude, thus, altitude information extracted directly from SRTM grid is not a good for predicting wet areas. HAND estimates the vertical distance from a certain point to the closest drainage, thus it can discriminated better wet and dry points in the terrain. Palavras-chave: new quantitative topoghaphic algorithm, digital elevation model-SRTM, upland land mapping, novo algoritmo descritor de terreno, modelo de elevação digital - SRTM, mapeamento de ambientes de terra-firme
1. Introdução
Na literatura podem ser encontradas diversas técnicas que se propõem a extrair atributos
descritores do relevo, tais como aspecto, curvatura e rede de drenagem, a partir de modelos
numéricos de terreno (MNT). A principal diferença entre esses algoritmos está na
determinação das conexões hidrológicas entre dois pontos, ou seja, no cálculo da direção de
fluxo da drenagem. Enquanto alguns algoritmos utilizam medidas simples e fáceis de
implementar, como a Distância Euclidiana, que nem sempre representam as condições
encontradas em campo, o algoritmo HAND (Height Above the Neareast Dreinage ou
distância vertical à drenagem mais próxima) propõe uma nova abordagem baseando-se em
medidas que podem permitir uma representação mais fiel do terreno.
O HAND (Height Above the Nearest Drainage, ou distância vertical à drenagem mais
próxima) é um algoritmo descritor do terreno que utiliza as informações topográficas do MNT
do SRTM para extrair informações hidrológicas de uma área (Rennó et al. 2008). Essa
informação é obtida pela estimativa da diferença de altura relativa entre cada ponto da grade e
o ponto de drenagem mais próximo associado a um curso d’água. Baseado nessas medidas, o
algoritmo agrupa os pontos similares em zonas equiprováveis, considerando seu potencial
hidrológico, produzindo mapas com forte significado hidroecológico.
Estes mapas são especialmente importantes para a região Amazônica, cujas características
hídricas, do relevo e dos solos variam amplamente ao longo da paisagem e têm influência
direta sobre a vegetação predominante (Castilho, 2004; Pinheiro, 2007). Fazem parte deste
mosaico as florestas de Terra Firme, regiões que não são sazonalmente inundadas pela cheia
dos grandes rios da Amazônia. Embora pareçam fisionomicamente e estruturalmente únicas,
se analisadas através de imagens ópticas (que pouca informação pode fornecer sobre a relação
entre solo, hidrologia e vegetação), suas características abióticas e, consequentemente
bióticas, não são homogêneas (Pires, 1985). Isto torna-se evidente através do MNT do SRTM,
a mais completa fonte de dados topográficos para região Amazônica, no qual expõe-se a rede
de drenagem não revelada pela informação espectral das imagens ópticas.
Por estas características, as informações do HAND têm grande potencial para subsidiar
estudos que pretendam entender os principais fatores que controlam as modificações
estruturais e fisionômicas da paisagem Amazônica, as relações entre disponibilidade hídrica,
ocorrência de espécies e biomassa. O entendimento destas relações é essencial tanto para a
conservação da biodiversidade quanto para diminuir os erros associados à estimativa de
emissão de carbono para atmosfera, já que muitos modelos preditivos não levam em
consideração a heterogeneidade ambiental da Amazônia.
Este trabalho teve como objetivo de utilizar a nova abordagem do algoritmo HAND para
mapear os ambientes de terra firme do Distrito Florestal Sustentável da BR-163/PA,
baseando-se na distância vertical à drenagem mais próxima detectada remotamente através do
modelo numérico de terreno do SRTM.
2. Área de estudo
O Distrito Florestal Sustentável (DSF) da BR-163 abrange áreas consideradas prioritárias
nos planos de governo, e está inserido no Projeto Integrado do MCT/EMBRAPA (PIME), que
tem o objetivo de avaliar a sustentabilidade social, econômica e ambiental de políticas
públicas destinadas à Amazônia (Plano de Ação, 2007). Compreende uma área de 19 milhões
de hectares, na região oeste do estado do Pará, entre Santarém e Castelo dos Sonhos, no eixo
da BR 163, e entre Jacareacanga e Altamira no eixo da Transamazônica (Figura 1). Possui
grande diversidade de paisagens antrópicas, tais como agricultura, pastagem, garimpos e áreas
urbanas e naturais entre as quais áreas de floresta, savana e campinarana (ZEE, 2005).
Dentro do complexo ecossistema conhecido como Floresta Densa Tropical Úmida, a
vegetação do DSF BR-163 é considerada uma floresta de terra firme, pois suas florestas não
são sazonalmente inundadas pela cheia dos grandes rios da Amazônia. A topografia do
terreno consiste basicamente das unidades geomorfológicas planalto, planície e depressão,
podendo ser encontradas patamares e chapadas.
Figura 1 – Localização do Distrito Florestal Sustentável da BR-163, Pará (PA)
3. Aplicação do algoritmo HAND
Inicialmente o HAND utiliza um MNT para o cálculo das direções de fluxo de drenagem,
resultando em uma grade com valores que representam a direção do fluxo de drenagem em
cada ponto, chamada de LDD (Local Drain Directions). Com as direções de fluxo
determinadas, torna-se possível a geração da rede de drenagem, que é definida pelos pontos
da grade que têm uma área de contribuição maior que um determinado limiar. A área de
contribuição é calculada pela contagem do número de pontos cujos fluxos convergem para um
mesmo lugar.
A definição do limiar para a densidade de drenagem é parte crucial no processo de
geração do HAND. Dessa forma é essencial a aplicação de um limiar baseando-se em critérios
específicos, pois um limiar aplicado de forma subjetiva pode levar à superestimativa ou
subestimativa da dimensão de ambientes com solos muito ou pouco saturados. A utilização de
um mapa geomorfológico da área é uma abordagem conveniente, pois esse mapa descreve as
formas do relevo a partir de processos e estruturas que o determinaram, entre eles a drenagem
(Figura 3).
A maior parte do Distrito Florestal é formada pelas unidades geomorfológicas patamar,
depressão e planalto. As unidades planície e chapada ocupam algumas pequenas áreas
restritas à região norte e sul do distrito, respectivamente. Os limiares foram determinados de
acordo com os conceitos adotados para as três unidades geomorfológicas predominantes no
distrito: Depressão, descrita como uma forma de relevo aplainado, no qual podem ser
encontradas baixas colinas; Planalto, constituído por uma superfície elevada, com cume
relativamente nivelado; e Patamar. Por estas definições a unidade Patamar é mais plana e
elevada e, portanto mais drenada, a unidade Depressão é relativamente pouco drenada,
caracterizando-se por áreas de baixio e a unidade Planalto encontra-se em situação
intermediária entre essas duas definições.
Testes foram realizados para determinar os limiares para cada uma das unidades
geomorfológicas. Após a definição, os mapas resultantes foram combinados de forma a
manter as características desejáveis para cada unidade geomorfológica, resultando em uma
única rede de drenagem.
Com base na rede de drenagem, a grade HAND foi calculada, sendo posteriormente
classificada segundo critérios sugeridos em Rennó et al. (2008). Assim, a terra firme do DFS
BR-163 foi dividida em quatro principais ambientes: platôs (áreas mais altas, com lençol
freático profundo e solos predominantemente secos), vertentes (áreas íngremes e de transição
entre platôs e baixios), baixio/vertente (áreas úmidas e de transição entre baixio e as vertentes)
e baixios (planícies aluviais ao longo dos igarapés, onde se encontram os solos
predominantemente úmidos).
Figura 3 – Unidades geomorfológicas encontradas no Distrito Florestal Sustentável da BR-
163, Pará – PA
4. Avaliação da grade HAND
Dados foram coletados em setembro de 2008 a partir de uma expedição de campo ao
longo do Distrito Florestal Sustentável, que percorreu a BR-163 (Cuiabá-Santarém), desde
Santarém até a sede do município de Novo Progresso, e a BR-230 (Transamazônica). Foram
coletados 269 pontos (Figura 4) nos canais de drenagem e outros 172 diretamente sobre a
grade SRTM, sendo classificados em pontos úmidos e secos, segundo a condição de umidade
do solo local. Descrições adicionais sobre a presença de várzeas ou brejos, ordem de grandeza
dos rios e igarapés, início de bacia ou outra característica relativa à disponibilidade hídrica no
solo foram registradas. Para todos os pontos visitados, coordenadas geográficas foram
coletadas. Os pontos foram coletados em regiões rurais ou de floresta, de forma a diminuir a
influência das áreas urbanas sobre a presença de água no curso de drenagem.
Figura 4. Trajeto percorrido e dados coletados em expedição de campo sobre grade
SRTM.
Para os mesmos pontos vistoriados em campo e classificados como úmidos ou secos,
foram estimados valores através do SRTM e da grade HAND, comparando-os através de um
gráfico Boxplot.
5. Resultados e discussões
5.1. Grade HAND
Após testes com diferentes limiares para a definição da drenagem, o limiar 50 foi definido
para as unidades geomorfológicas Depressão e Planalto, e o limiar 150 foi definido para a
unidade geomorfológica Patamar. Para as classes Chapada e Planície, pouco representadas na
região do Distrito da BR-163, os limiares adotados foram das classes predominantes
adjacentes. Para a unidade geomorfológica Patamar, caracterizado por um relevo erodido e
plano, a rede de drenagem tende a ser menos densa em relação às outras unidades do relevo
(Figura 5). Com o limiar de 50, a rede de drenagem extraída do MNT é superestimada, sendo
mais adequado às condições do relevo o limiar de 150.
Figura 5 – Grande HAND com limiar de drenagem adequado para a unidade geomorfológica
Patamar
Por outro lado, para a unidade Planalto, caracterizada por um relevo erodido e superfície
irregular, o limiar adequado foi menor e igual a 50 (Figura 6). Esse mesmo limiar mostrou-se
adequado ao relevo de suaves inclinações e também erodido da unidade Depressão. Observa-
se na Figura 7 que a aplicação do limiar 150, adotado para a unidade Patamar, causaria erros
no mapeamento das nascentes dos rios e, consequentemente, subestimaria a área de solo
saturado na região do Distrito. Comparando o MNT do SRTM e as áreas em tons azuis na
grade HAND com limiar 50, verifica-se que o início das nascentes é coincidente.
Figura 6 – Grade HAND com limiar de drenagem adequado para a unidade geomorfológica
Planalto
Figura 7 – Grande HAND com limiar de drenagem adequado para a unidade geomorfológica
Depressão
Após a definição dos limiares, os mapas foram combinados de forma a manter as
características de cada uma das unidades geomorfológicas individualmente. O resultado da
combinação dos três mapas com limiares distintos está apresentado na Figura 8.
A terra firme do DFS BR-163 é formada por 17,4% de áreas de baixio, 31,4% de áreas de
vertente e 32,9% de áreas de platô, sendo o restante representativo de áreas de transição
baixio/vertente (18,3%) (Tabela 1). Isto significa que a terra firme possui 35,7% da sua área
coberta por ambientes úmidos, entre rios, igarapés e várzeas e 64,3% da sua área coberta por
fisionomias de solos predominantemente secos.
Tabela 1 – Dimensão das fisionomias de platô, vertente e baixio ao longo do Distrito Florestal Sustentável da BR-163
Classes Área (km) %
Platô 62,02 32,90
Baixio 32,75 17,37
Ecótono 34,51 18,31
Vertente 59,22 31,42
Total 188,50 100
A distribuição destas fisionomias ao longo do DFS não é homogênea, pois há predomínio
de uma drenagem mais densa na região norte e, conseqüentemente maior extensão de áreas
planas e elevadas características dos platôs (Figura 8). Ao passo que na região ao sul do
Distrito encontra-se uma região menos drenada, com platôs freqüentemente interrompidos por
áreas de baixio. Estes padrões foram confirmados em campo e pela validação descrita abaixo.
Figura 8 – Grade HAND com o mapeamento dos ambientes de terra-firme do Distrito
Florestal sustentável da BR-163
6. Validação do HAND
Da análise exploratória do gráfico boxplot da Figura 9 verifica-se que, utilizando
apenas a informação de altitude proveniente do SRTM, a capacidade de inferir sobre a
disponibilidade hídrica do solo é reduzida, gerando confusão ao se tentar discriminar
pontos secos dos úmidos. Utilizando apenas o dado do SRTM, à mesma altitude, os
pontos podem ser classificados tanto como úmidos quanto secos, produzindo mapas
hidrologicamente incoerentes. Em contrapartida, a discriminação entre áreas úmidas e
secas utilizando as informações do HAND, que descreve a distância vertical de cada
ponto referente à drenagem mais próxima, foi considerada satisfatória (Figura 9).
Numa escala local, a altitude do SRTM pode servir como um bom preditor das áreas
úmidas, pois neste caso as áreas mais altas tendem a ser mais secas e as áreas baixas mais
úmidas. No entanto, numa escala regional, onde há uma grande variação de altitude, este
padrão ocorre de forma diferenciada, sendo possível encontrar áreas secas e úmidas em
diferentes altitudes. Nesta situação, o HAND tende a gerar melhores resultados do que o
SRTM, pois normaliza o dado de acordo com a distância vertical à rede de drenagem
mais próxima, independente da altitude.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
SRTM HAND
SRTM
(m
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
HA
ND
(m
) SRTM úmido
SRTM seco
HAND úmido
HAND seco
Figura 9 – Análise do desempenho do SRTM e do HAND na estimativa de áreas úmidas
no ambiente de terra firme do Distrito Florestal Sustentável da BR-163 7. Conclusões
O critério de agrupamento de regiões homogêneas baseando-se em um mapa
geomorfológico foi satisfatório para adoção de limiares de drenagem adequados às
características do relevo do Distrito Florestal Sustentável da BR-163. Visto a escassez de
informações detalhadas sobre o relevo e sobre a rede de drenagem especialmente para região
Amazônica, o HAND apresentou resultados bastante satisfatórios pela fidelidade dos produtos
finais à realidade encontrada em campo. Na escala regional, onde há uma grande variação de
altitude, o HAND tende a gerar melhores resultados do que o SRTM, pois normaliza o dado
de acordo com a distância vertical à rede de drenagem mais próxima, independente da
altitude. Desta forma, embora seja necessário realizar estudos mais aprofundados com
medidas de campo, o produto apresenta potencialidade para ser utilizado em diversas áreas do
conhecimento, desde a conservação e gerenciamento dos recursos naturais até o refinamento
de modelos preditivos de estimativa de biomassa.
Especificamente para o DFS da BR-163, uma das áreas prioritárias nos planos do Governo
Federal, especial atenção deve ser dada a distribuição das fisionomias de terra firme ao longo
do distrito para melhor direcionar a avaliação das mudanças ambientais, da dinâmica sócio-
econômica e para incrementar modelos preditivos de distribuição de espécies.
8. Referências Bibliográficas
Castilho, C,V. Variação espacial e temporal da biomassa arbórea viva em 64Km² de floresta de terra-firme da Amazônia Central. 2004. 87p. Tese (Doutorado em Ecologia) – Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA), Manaus, 2004.
PAOF: Plano Anual de Outorga Florestal 2007-2008. Brasília: Ministério do Meio Ambiente/ Serviço Florestal Brasileiro, 2007. 101p.
Pinheiro, T.F. Caracterização de Fitofisionomias em uma Floresta de Terra-Firme da Amazônia Central por Inventário Florístico e por textura de imagens simulação do Mapsar (Multi-Application Purpose Sar). 2007. 125p. Dissertação (Mestrado em Sensoriamento Remoto) – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), São José dos Campos, 2007.
Pires, J.M.; Prance, G.T. The vegetation types of Brazilian Amazon. In: Prance, G.T.; Lovejoy, T.E. (eds). Key enviroments Amazonia. New York: Oxford, 1985. p. 109-145.
Rennó, C. D.; Nobre, A. D.; Cuartas, L. A.; Soares, J. V.; Hodnett, M. G.; Tomasella, J.; Waterloo, M. J. HAND, a new terrain descriptor using SRTM-DEM: mapping terra-firme rainforest environments in Amazonia. Remote Sensing of Environment, vol. 112, n. 9, p. 339-358, 2008.
Zoneamento Ecológico e Econômico da Rodovia BR-163. Disponível em: http://zeebr163.cpatu.embrapa.br/index.php. Acesso em: 05 nov. 2007.