MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO DEPARTAMENTO DE ... · primordial para a mesma, como é a declividade, serviu de estímulo e motivação para a execução deste trabalho,

MINISTÉRIO DA DEFESA

EXÉRCITO BRASILEIRO

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CARTOGRÁFICA

1º Ten Gabriel Thomé Brochado

Aluno Thadeu Laranja Aires

AVALIAÇÃO DE INFORMAÇÕES DE DECLIVIDADE

ORIGINADAS DO MODELO SRTM

Rio de Janeiro

2008

2




AVALIAÇÃO DE INFORMAÇÕES DE DECLIVIDADE

ORIGINADAS DO MODELO SRTM

Projeto de Fim de Curso apresentado ao Curso de

Graduação em Engenharia Cartográfica no Instituto Militar

de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do

título de Graduado em Engenharia Cartográfica.

Orientador: Maj José Wilson Cavalcante Parente Junior - M.C.

Rio de Janeiro

2008

3




AVALIAÇÃO DE INFORMAÇÕES DE DECLIVIDADE ORIGINADAS DO MODELO SRTM

Projeto de Fim de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia

Cartográfica no Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a

obtenção do título de Graduado em Engenharia Cartográfica.

Orientador: Maj José Wilson Cavalcante Parente Junior - M.C.

Aprovada em __ de _______ de 2008 pela seguinte Banca Examinadora:

____________________________________________________________________ Maj José Wilson Cavalcante Parente Junior - M.C.

____________________________________________________________________ Prof. Leonardo Castro de Oliveira - D.E.

____________________________________________________________________ Cap Francisco Roberto da Rocha Gomes - M.C.

____________________________________________________________________ Cap Marcos de Meneses Rocha - M.C.

Rio de Janeiro

2008

4

"Sejam quais forem os resultados, com êxito ou não, o importante

é que no final cada um possa dizer: ‘Fiz o que pude’."

LOUIS PASTEUR

5

SUMÁRIO

LISTA DE ILUSTRAÇÕES ..........................................................................................6

LISTA DE TABELAS....................................................................................................8

RESUMO.....................................................................................................................9

1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................10

1.1 OBJETIVO................................................................................................... 10

1.2 MOTIVAÇÃO............................................................................................... 10

1.3 POSICIONAMENTO.................................................................................... 11

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA..........................................................................13

2.1 MODELO DIGITAL DE ELEVAÇÕES (MDE) .............................................. 13

2.2 DECLIVIDADE............................................................................................. 15

2.3 SRTM .......................................................................................................... 18

3 METODOLOGIA.................................................................................................20

3.1 AQUISIÇÃO DOS DADOS .......................................................................... 20

3.1.1 IMAGEM DO SRTM.............................................................................. 21

3.1.2 MDE DO IBGE ...................................................................................... 23

3.1.3 CARTAS DO MAPEAMENTO SISTEMÁTICO ..................................... 25

3.1.4 MALHA RODOVIÁRIA .......................................................................... 26

3.2 PREPARAÇÃO DOS DADOS ..................................................................... 27

3.3 EXTRAÇÃO DAS DECLIVIDADES (MDE).................................................. 33

3.4 EXTRAÇÃO DAS DECLIVIDADES (CARTAS) ........................................... 36

4 RESULTADOS ...................................................................................................38

4.1 ANÁLISE ESTATÍSTICA ............................................................................. 38

4.2 ANÁLISE DAS CLASSIFICAÇÕES ............................................................. 39

5 CONCLUSÕES ..................................................................................................45

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................47

6

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIG 2.1 - Matriz de pixels e sua associação com as altitudes do terreno

representado. ............................................................................................................13

FIG 2.2 - Imagens representando altitudes em diferentes esquemas de cores.........14

FIG 2.3 - Modelo Digital de Elevações ......................................................................14

FIG 2.4 - Declividade.................................................................................................15

FIG 2.5 - Direção da declividade ...............................................................................16

FIG 2.6 - Declividade no ponto P...............................................................................16

FIG 2.7 - Declividade.................................................................................................17

FIG 2.8 - Esquema das antenas SRTM.....................................................................19

FIG 3.1 - Etapas da Metodologia...............................................................................20

FIG 3.2 - Menu Quadriculado com a Imagem Destacada..........................................21

FIG 3.3 - Imagem SF-23-Z-B.....................................................................................22

FIG 3.4 - Imagem SC-24-Z-C ....................................................................................22

FIG 3.5 - Posicionamento das imagens no mapa do Brasil .......................................23

FIG 3.6 - Posições dos MDE e Borda do Fuso..........................................................24

FIG 3.7 - Posições dos MDE em relação ao Brasil....................................................24

FIG 3.8 - Cartas 17924 (Itapicuru) e 27154 (Itaipava) ...............................................25

FIG 3.9 - Malha Rodoviária........................................................................................26

FIG 3.10 - Levantamentos Ecoplan e Threetek, respectivamente.............................27

FIG 3.11 - Interface: Função Projetar Raster.............................................................28

FIG 3.12 - Mapa-Índice..............................................................................................29

FIG 3.13 - Interface: Criação do Mosaico..................................................................29

FIG 3.14 - Mosaico ....................................................................................................30

FIG 3.15 - Interface: Função Projetar Feição ............................................................31

FIG 3.16 - Interface: Propriedades do “data frame” Camadas...................................32

FIG 3.17 - Interface: Fragmentação da Malha...........................................................33

FIG 3.18 - Interface: Criação do arquivo contendo os vértices da linha ....................34

FIG 3.19 - Extração da Altura ....................................................................................34

FIG 3.20 - Extrato da tabela de atributos...................................................................35

FIG 3.21 - Interface: RDBMerge Add-in.....................................................................36

FIG 3.22 - Extração da declividade nas cartas topográficas......................................37

7

FIG 4.1 - Distribuição das classes de declividade na região 1 ..................................40



FIG 4.4 - Amplitude da diferença para a região 1......................................................42



8

LISTA DE TABELAS

TAB 2.1 - Classes de Declividade do Terreno...........................................................18

TAB 4.1 - Média das declividades .............................................................................38

TAB 4.2 - Desvio-Padrão das declividades ...............................................................39

TAB 4.4 - Códigos das classes de declividade..........................................................40

9

RESUMO

Com o intuito de fomentar a utilização de dados de declividade gerados a partir

de MDE (Modelos Digitais de Elevação) do SRTM (Shuttle Radar Topography

MIssion), este trabalho se propôs a compará-los com dados mais acurados, oriundos

do IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística), gerando um parecer técnico

contendo diretrizes norteadoras de um melhor aproveitamento de suas

potencialidades. Para tal foram selecionadas três regiões geomorfologicamente

distintas, de onde a declividade dos eixos rodoviários foi extraída a partir de ambas

as fontes: SRTM e IBGE. Os resultados obtidos foram destrinchados com auxílio de

ferramentas gráficas e estatísticas, permitindo-se concluir a respeito da eficácia do

emprego dos dados SRTM para aplicação em planejamento estratégico de infra-

estrutura de transporte

10

1 INTRODUÇÃO

O Brasil vive atualmente, em virtude do crescimento acelerado da economia,

uma fase propícia ao desenvolvimento, apresentando muitos indicadores que lhe

prometem um futuro promissor. Porém, diversos aspectos da infra-estrutura nacional

permanecem incompatíveis com um país de dimensões continentais, retardando o

processo de expansão econômica. A área de transportes, por exemplo, primordial

para o escoamento de minérios e produção agrícola, é uma das mais carentes.

Felizmente tem sido elaborados planos governamentais visando uma otimização da

infra-estrutura de transporte nacional. A complexidade de planejamentos com este

propósito exige que seja considerada toda uma gama de variáveis fÍsicas,

econômicas e sociais em sua concepção. Uma variável relevante em planejamentos

sobre o modal rodoviário é a declividade.

1.1 OBJETIVO

Avaliar as informações de declividade geradas a partir do processamento de

dados da SRTM (Shuttle Radar Topography Mission).

1.2 MOTIVAÇÃO

Havia a intenção de se realizar um projeto que atendesse a necessidades reais

de um problema de engenharia, onde a especialidade de cartografia fosse aplicada

como meio de solução, de forma que o resultado do trabalho fosse uma colaboração

factível ao problema abordado.

Partindo-se desta premissa, foi feito um contato com o CENTRAN (Centro de

Excelência em Engenharia de Transportes) para sondar as necessidades deste

órgão no que diz respeito à engenharia cartográfica, buscando-se nelas um

problema que, respeitando a dimensão de um projeto de final de curso, pudesse ser

11

solucionado neste trabalho.

Foi proposta, então, a realização de uma avaliação do uso de dados SRTM para

a extração da declividade de eixos rodoviários, já que esta ferramenta vinha sendo

utilizada em alguns trabalhos de planejamento de transporte, porém sem uma

apreciação cartográfica das reais possibilidades de seu emprego.

A oportunidade de efetuar esta validação, com o intento de expandir e regular o

uso de dados SRTM na engenharia de transporte, envolvendo uma questão

primordial para a mesma, como é a declividade, serviu de estímulo e motivação para

a execução deste trabalho, uma vez que o grupo se fez ciente da sua importância

em um contexto nacional.

1.3 POSICIONAMENTO

Este trabalho se afina com o Plano Nacional de Logística e Transportes (PNLT)

no que tange ao suprimento de dados necessários para alcançar as metas que este

prima.

“Um primeiro e fundamental objetivo do PNLT é a retomada do processo de planejamento no Setor de Transporte, dotando-o de uma estrutura permanente de gestão e perenização deste processo, com base em um sistema de informações georreferenciadas contendo todos os principais dados de interesse do setor...”

(PNLT, 2007).

Dentro deste conjunto de informações é de relevante importância a

declividade do terreno, a qual compõe, juntamente com outras variáveis, o cálculo

dos níveis de serviço das principais rodovias federais. Resulta deste cálculo a

classificação das condições de operação da rodovia estudada, em seis níveis

denotados pelas letras A, B, C, D, E, F; onde a qualidade do serviço oferecido

diminui de A para F (ROESS et al,1998). Portanto, a declividade está correlacionada

com o planejamento da logística e do transporte em âmbito nacional.

12

A extração da declividade média foi feita a partir de dados SRTM no projeto

denominado Desenvolvimento de Plano de Transporte, que é um plano de

proposições de investimentos complementar ao PNLT, realizado pelo CENTRAN em

2007. Dessa forma, foi estimado um valor para cada trecho e inserida esta

informação na rede rodoviária para a utilização na metodologia empregada no Plano

de Investimentos. Porém, não houve uma avaliação da precisão desses dados de

declividade, suas capacidades e limitações para sua aplicação na questão vigente

de transportes, como é proposto neste projeto de final de curso.

Este Projeto Final de Curso, portanto, pretende preencher esta lacuna,

visando que os dados de declividade extraídos a partir dos MDE (Modelos Digitais

de Elevação) disponibilizados pelo SRTM possam ser utilizados de uma forma

controlada e consciente, e que a gratuidade e facilidade de acesso características

desse material possibilitem uma maior abrangência do uso destas informações; pelo

CENTRAN e de uma maneira geral na comunidade.

13

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 MODELO DIGITAL DE ELEVAÇÕES (MDE)

Um MDE é uma representação numérica das altitudes do terreno a ser

representado. (BRITO & COELHO, 2002). Pode apresentar-se de duas formas: num

arquivo matricial (distribuição uniforme dos dados) ou numa rede irregular de pontos.

Neste trabalho serão utilizados apenas arquivos matriciais.

Num arquivo deste tipo, primeiramente se associa a cada pixel um número,

correspondente à altitude do ponto representado pelo centro do pixel, como ilustra a

FIG 2.1:

FIG 2.1 - Matriz de pixels e sua associação com as altitudes do terreno

representado.

Em seguida, há a possibilidade de visualização desses dados na forma de uma

imagem. Para isso, basta que ocorra uma vinculação dos valores das altitudes a

uma escala de cores. A FIG 2.2 ilustra este processo vinculando as altitudes

mostradas na FIG 2.1 a dois diferentes esquemas de cores:

14

FIG 2.2 - Imagens representando altitudes em diferentes esquemas de cores

A FIG 2.3 representa uma imagem de um MDE, num esquema de cores

variando do azul (baixas altitudes) ao vermelho (altas altitudes):

FIG 2.3 - Modelo Digital de Elevações (ABER, 2008)

Um MDE possui diversas utilidades, sendo uma delas a possibilidade de análise

da declividade do relevo.

15

2.2 DECLIVIDADE

A declividade é caracterizada pela máxima inclinação (ângulo vertical) de um

plano tangente a um ponto na superfície do terreno, em relação ao horizonte.

(EVANS, 1972 apud SANT’ANNA et al., 2007). Este conceito é ilustrado na FIG 2.4:

FIG 2.4 - Declividade

Ao considerar-se a altitude do terreno como uma função das coordenadas x e y,

ou seja, h(x,y), a inclinação numa determinada direção pode ser dada pela derivada

de h(x,y) naquela direção.

Logo, a declividade é o valor máximo da derivada da função h(x,y) num ponto.

Este máximo se dá numa direção perpendicular à curva de nível que passa pelo

ponto. (APOSTOL, 1969)

Este fato é exemplificado na FIG 2.5, onde se mostra em vermelho a direção de

máxima inclinação num ponto P. As curvas de nível são mostradas em preto

16

FIG 2.5 - Direção da declividade

A FIG 2.6 mostra o perfil do terreno ao longo da linha vermelha da FIG 2.5 e

ilustra o conceito de declividade no ponto P.

FIG 2.6 - Declividade no ponto P

A declividade é expressa usualmente em graus ou em percentual, seguindo as

formulações abaixo, de acordo com a FIG 2.7. (IBGE, 2007).

17

FIG 2.7 - Declividade (IBGE, 2007)

Declividade em graus:

Declividade em percentual:

As diversas declividades do terreno podem ser divididas em classes definidas

através de intervalos para seus valores, que podem ser moldadas às necessidades

que se apresentem. Usualmente empregam-se 5 (cinco) ou 6 (seis) classes para

atendê-las. Mediante a definição de uma classificação é possível gerar mapas de

declividade, permitindo a visualização dos padrões espaciais deste fator e também o

seu emprego em SIG. A TAB 2.1 demonstra um exemplo de classificação de

declividade.

Δz

α ΔH

18

TAB 2.1 - Classes de Declividade do Terreno

(SILVA et al.,1999 apud CENTRAN,2007)

2.3 SRTM

A Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), que voou a bordo da Endeavour

em fevereiro de 2000 e foi um projeto conjunto da NASA (National Aeronautics and

Space Administration), e da NGA (National Geospatial-Intelligence Agency), teve por

objetivo adquirir um MDE de todas as terras emersas entre as latitudes de 60ºN e

56ºS, o que corresponde a 80% da superfície seca do planeta. Em termos

quantitativos, os dados SRTM foram amostrados sobre um grid de 90m x 90m e

possuem um erro vertical absoluto de menos de 16m (JPL - JET PROPULSION

LABORATORY, 2007).

A SRTM utilizou dois sensores radar do tipo SAR (Synthetic Aperture Radar), um

sistema na banda C (comprimento de onda de 5,6 cm) e um na banda X

(comprimento de onda de 3,1 cm). O objetivo do radar na banda C foi de gerar o

mapeamento contínuo objetivado pela missão. Já a banda X gerou faixas discretas

de imageamento de 50 km de largura. O radar X foi incluído como uma

demonstração experimental. Por possuir melhore resolução espacial e relação sinal-

ruído que o radar C, pôde ser usado também para resolver problemas de

processamento na banda C e atuar como controle de qualidade (JPL, 2007).

Para operações de interferometria (processo pelo qual se extrai a altimetria com

sensores radar), cada um dos dois radares SRTM foi equipado com uma segunda

antena receptora, além da antena principal emissora/receptora situada no corpo

principal da nave. As antenas suplementares foram posicionadas no fim de um

mastro retrátil de 60m de comprimento (JPL, 2007).

Declividade (graus) Relevo Associado

0-3 plano

3-8 suave ondulado

8-20 ondulado

20-45 forte ondulado

>45 montanhoso

19

FIG 2.8 - Esquema das antenas SRTM. (JPL, 2007)

20

3 METODOLOGIA

A metodologia desenvolvida consistiu, em suma, na extração de dois valores de

declividade (um a partir dos MDE do IBGE e outro do MDE do SRTM) para

determinados trechos de rodovias. Com posse desse par de valores para cada

trecho, realizou-se a análise dos resultados, onde, pela observação de médias,

desvios-padrão e gráficos, pôde-se tecer um parecer técnico sobre a utilização de

dados SRTM para extração de declividades de eixos rodoviários. As etapas

desempenhadas para a geração dos resultados estão evidenciadas na FIG 3.1.

FIG 3.1 - Etapas da Metodologia

3.1 AQUISIÇÃO DOS DADOS

Para a execução do projeto foram utilizados:

03 (três) Imagens do SRTM,

73 (setenta e três) MDE do IBGE,

02 (dois) Cartas Topográficas de Mapeamento Sistemático

21

01 (uma) Malha Rodoviária do Brasil.

3.1.1 IMAGEM DO SRTM

A primeira imagem utilizada pertence à quarta versão dos dados SRTM

processados por JARVIS et al (2007). Foi adquirida no sítio http://srtm.csi.cgiar.org/

do CGIAR-CSI (Consortium for Spatial Information of the Consultative Group for

International Agricultural Research) em formato Geotiff, enquadrando a região

delimitada pelas latitudes de 15 a 20 graus sul e 45 a 50 graus oeste, em datum

WGS84 (World Geographic System 1984). Visualiza-se na FIG 3.1 um extrato do

menu de seleção do site citado, onde está destacada no quadriculado a imagem em

questão; e na FIG 3.2 uma miniatura da mesma.

FIG 3.2 - Menu Quadriculado com a Imagem Destacada (JARVIS et al., 2007)

As outras duas imagens foram utilizadas paralelamente à primeira, por

problemas na aquisição, junto ao CGIAR-CSI, dos dados SRTM relativos às outras

regiões de interesse.

As imagens foram adquiridas no sítio http://www.relevobr.cnpm.embrapa.br, da

EMBRAPA (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária). Elas enquadram cada

22

qual a região delimitada pela carta 1:250000 da qual herdam suas nomenclaturas e

estão em datum WGS84. São elas:

SF-23-Z-B

SC-24-Z-C

As FIG 3.3 e FIG 3.4 mostram um extrato do menu de seleção do sítio

mencionado juntamente com uma miniatura de cada imagem; a FIG 3.5 ilustra o

posicionamento de ambas no mapa do Brasil.

FIG 3.3 - Imagem SF-23-Z-B (Adaptado de http://www.relevobr.cnpm.embrapa.br)

FIG 3.4 - Imagem SC-24-Z-C (Adaptado de http://www.relevobr.cnpm.embrapa.br)

23

FIG 3.5 - Posicionamento das imagens no mapa do Brasil

3.1.2 MDE DO IBGE

Os 73 (setenta e três) MDE foram adquiridos através do sítio do IBGE (Instituto

Brasileiro de Geografia e Estatística) pelo caminho ftp://geoftp.ibge.gov.br/MDE/.

São imagens em formato TIF e cada um deles se refere a uma carta 1:50000 do

mapeamento sistemático de mesma nomenclatura (Mapa Índice).

O tamanho da célula para 09 (nove) destes MDE é de 40 (quarenta) metros

(MDE de nomenclaturas 23674, 23772, 23781, 24514, 24534, 24872, 24881, 24882,

25641) e para os 64 (sessenta e quatro) restantes é de 20 (vinte) metros.

As coordenadas dos MDE estão em sistema UTM e como a região coberta pelos

MDE intersecta a borda dos fusos 22 (vinte e dois) e 23 (vinte e três) sul, foi

necessário identificar individualmente, utilizando o mapa índice, o fuso de cada MDE

para que este fosse posicionado corretamente.

Na FIG 3.6 identifica-se a posição dos MDE de tamanho da célula igual a 20

24

(vinte) metros, de tamanho da célula igual a 40 (quarenta) metros e a borda de fuso

citada no parágrafo anterior. A FIG 3.7 mostra a posição da área coberta pelos MDE

em relação ao Brasil.

FIG 3.6 - Posições dos MDE e Borda do Fuso

FIG 3.7 - Posições dos MDE em relação ao Brasil

25

3.1.3 CARTAS DO MAPEAMENTO SISTEMÁTICO

Foram utilizadas as seguintes cartas topográficas vetorizadas, de escala

1:50000, segundo o mapa-índice do mapeamento sistemático: 17924 (Itapicuru) e

27154 (Itaipava). Ambas foram adquiridas no sítio

ftp://geoftp.ibge.gov.br/mapas/topograficos/topo50/vetor do IBGE. A FIG 3.8 exibe

miniaturas de cada carta.

FIG 3.8 - Cartas 17924 (Itapicuru) e 27154 (Itaipava)

Visando a simplificação do entendimento dos dados, utilizar-se-á a seguinte

notação para as regiões estudadas:

Região 1: Região coberta pelos MDE do IBGE, situa-se no chamado

Triângulo Mineiro, no Planalto Central da Bacia do Paraná.(IBGE)

Região 2: Situada no estado do Rio de Janeiro, na Serra do Mar,

corresponde à área representada na carta Itaipava.

Região 3: Área contida na carta Itapicuru, localiza-se na Bahia, próxima à

divisa com Sergipe. Seu relevo é descrito como Tabuleiro Interiorano

(IBGE), e é formado por baixas altitudes.

26

3.1.4 MALHA RODOVIÁRIA

A malha rodoviária foi concedida, em formato shapefile pelo CENTRAN para que

a avaliação proposta pelo projeto fosse executada sobre os mesmos dados

rodoviários empregados por este órgão nos planejamentos de infra-estrutura de

transporte.

FIG 3.9 - Malha Rodoviária

Esta malha é uma composição de levantamentos feitos por diferentes empresas

ou órgãos (Centran, Ecoplan, Gisplan, Sistema Estadual de Estatística e de

Informações Geográficas de Goiás, Sistema de Vigilância da Amazônia, Threetek), e

está dividida em trechos preconizados pelo PNV (Plano Nacional de Viação),

constando a cada um destes informações sobre:

código do PNV,

rodovia a qual pertencem,

tipo de pavimentação,

quilômetros inicial e final,

27

jurisdição,

executor do levantamento,

informações adicionais.

FIG 3.10 - Levantamentos Ecoplan e Threetek, respectivamente.

Pela falta de uniformidade nos métodos de levantamento da malha não é

possível atribuir a ela uma precisão posicional única para todo o conjunto de dados.

3.2 PREPARAÇÃO DOS DADOS

A preparação dos dados consistiu principalmente em compatibilizá-los com o

datum SAD69 (South American Datum 1969) e projetá-los para sistema de

projeções UTM (Universal Transverse Mercator). Este sistema de projeções foi

escolhido para o desenvolvimento do projeto, pois nele é possível trabalhar

diretamente em sistema métrico. Realizou-se, também, a fragmentação da malha

rodoviária na área coberta pelos MDE do IBGE e a mosaicagem desses últimos. O

programa ArcGIS 9.1 foi utilizado em todos os procedimentos executados nesta

etapa.

28

A compatibilização com o datum SAD69 e a projeção para o sistema UTM, tanto

dos MDE do IBGE como do SRTM, foram efetuadas pela função projetar raster do

programa ArcGIS (Arctoolbox > Data Management Tools > Projections and

Transformations > Project Raster). A FIG 3.11 mostra a interface do programa.

FIG 3.11 - Interface: Função Projetar Raster

Os MDE do IBGE já tinham sido previamente georreferenciados, porém em

relação apenas ao fuso do sistema UTM a que pertenciam. Entretanto, a região

coberta por eles continha a linha divisória dos fusos 22 e 23 do sistema UTM, o que

causaria erros no posicionamento dos MDE. Verificou-se, portanto, pela utilização do

mapa-índice, em qual fuso cada um estava, para que fossem projetados

corretamente. A FIG 3.12 mostra à esquerda o mapa-índice completo, e à direita,

em detalhe, a região coberta pelos MDE do IBGE.

29

FIG 3.12 - Mapa-Índice.

A criação do mosaico destes MDE foi efetuada pela função Mosaico (ArcToolbox

> Data Managemente Tools > Raster > Mosaic). Nas regiões de interseção entre

eles foi feita a média dos valores de altura. A FIG 3.13 ilustra a interface do

programa e a FIG 3.14 os MDE antes e depois do procedimento.

FIG 3.13 - Interface: Criação do Mosaico

30

FIG 3.14 - Mosaico

Os MDE do SRTM, oriundos da Embrapa e do CGIAR-CSI, haviam sido

previamente georreferenciados na projeção Plate Carré (vulgarmente conhecida

como “latlong”). Então, foi executada a transformação para o datum SAD69 e a

projeção para o sistema UTM.

A projeção de arquivos vetoriais foi realizada pela função Projetar Feição

(Arctoolbox > Data Management Tools > Projections and Transformations > Project

Feature), como ilustra a FIG 3.15.

31

FIG 3.15 - Interface: Função Projetar Feição

A malha rodoviária, igualmente às imagens do SRTM, estava em datum WGS84

e projeção Plate Carré, portanto foi tomado o mesmo procedimento quanto à

projeção.

As cartas topográficas vetoriais do mapeamento sistemático foram previamente

georreferenciadas, porém, da mesma maneira que os MDE do IBGE, tornou-se

necessário definir o fuso do sistema UTM na qual se encontravam. Porém não foi

possível fazer esta definição no programa, devido à natureza dos arquivos que

compõe a carta vetorial. Foi preciso, então, trabalhá-las individualmente, definindo a

projeção, o fuso e o datum diretamente no “data frame”. Outra peculiaridade é que

suas coordenadas estavam em quilômetros, portanto foi necessário alterar a

unidade padrão do sistema UTM no “data frame” para que não houvessem erros de

projeção. A FIG 3.16 ilustra a interface do programa na execução deste

procedimento no “data frame” chamado Camadas.

32

FIG 3.16 - Interface: Propriedades do “data frame” Camadas.

A fragmentação da malha rodoviária foi realizada separando-se cada PNV da

região coberta pelos MDE do IBGE em um arquivo shapefile distinto. Na FIG 3.17 o

PNV selecionado está sendo copiado para a camada denominada 000. Com a

execução deste procedimento foram gerados 249 (duzentos e quarenta e nove)

arquivos shapefile, que foram nomeados segundo a ordem de criação. Por exemplo:

000.shp, 001.shp e assim sucessivamente, até o 248.shp.

33

FIG 3.17 - Interface: Fragmentação da Malha

3.3 EXTRAÇÃO DAS DECLIVIDADES (MDE)

O procedimento detalhado nesta seção foi executado para os todos os arquivos

(de 000.shp até 248.shp), mas para uma melhor explanação do mesmo utilizou-se o

arquivo 000.shp como exemplo na descrição a seguir.

Primeiramente criou-se um arquivo de pontos (000p.shp), contendo os vértices

da linha do arquivo 000.shp, através da função Vértices de Feição para Pontos

(ArctoolBox > Data Management Tools > Features > Features Vertices to Points) .

A tabela de atributos 000p.dbf, relativa ao arquivo 000p.shp, sofre adição de

colunas no restante do procedimento.

34

FIG 3.18 - Interface: Criação do arquivo contendo os vértices da linha

Foi feita a extração dos valores altura relativa a cada ponto, segundo o mosaico

dos MDE do IBGE e, posteriomente, segundo os dados SRTM, ambos utilizando a

função Extrair Valor do Ponto (Arctoolbox > Spatial Analyst Tools > Extraction >

Extract Values to Points). Os resultados foram adicionados à tabela de atributos. A

FIG 3.19 ilustra a diferença entre as duas fontes de dados de elevação.

FIG 3.19 - Extração da Altura

Adicionou-se à tabela de atributos as coordenadas em sistema UTM de cada

ponto, aplicando a função Adicionar XY (Arctoolbox > Data Management Tools >

Features > Add XY Cordinates).

Ao final deste procedimento a tabela de atributos apresentava os as colunas

ALTURA_IBGE, ALTURA_SRTM, POINT_X, POINT_Y e estava disposta na ordem

35

dos vértices da linha da qual foram originados, ou seja, o primeiro vértice na primeira

linha, o segundo vértice na segunda linha e assim por diante.

Exportou-se, então, o arquivo 000p.dbf para o formato .xls, para que fosse

possível trabalhá-lo no Microsoft Excel. Esta exportação foi feita pela simples troca

do nome do arquivo, de 000p.dbf para 000.xls. Com os dados contidos na tabela foi

possível calcular a declividade dos trechos rodoviários compreendidos entre cada

par de pontos consecutivos. A FIG 3.20 mostra um extrato da tabela, onde os

campos DDD_IBGE e DDD_SRTM, são as declividades extraídas a partir dos dados

do IBGE e dos dados do SRTM, respectivamente.

FIG 3.20 - Extrato da tabela de atributos

A metodologia de extração foi detalhada para o arquivo 000.shp, porém foi

executada em todos os outros. Para tal, foram escritos programas que gerassem os

comandos a serem entrados na linha de comando do ArcGIS, pois trabalhar com

tantos dados, utilizando apenas a interface gráfica deste era inviável. Igualmente foi

necessário escrever um programa que re-nomeasse os 279(duzentos e setenta e

nove) arquivos no formato .DBF para o formato .XLS. Também foi necessário o uso

de um “plugin” do Microsoft Excel, chamado RDBMerge Add-in (FIG 3.21), para fazer

a união de todas as tabelas em uma só, de forma que os dados pudessem ser

trabalhados da maneira que se desejava.

36

FIG 3.21 - Interface: RDBMerge Add-in

3.4 EXTRAÇÃO DAS DECLIVIDADES (CARTAS)

A extração da declividade a partir de cartas vetoriais do mapeamento sistemático

foi executada, também, gerando uma tabela com as colunas ALTURA_IBGE,

ALTURA_SRTM, POINT_X, POINT_Y. Porém, diferentemente do procedimento

explanado na seção anterior a esta, os pontos de extração de alturas foram

escolhidos manualmente. O critério de escolha foi a interseção do trecho rodoviário

em questão com uma curva de nível, para que se pudesse saber a cota deste

segundo à altimetria da carta, e a extração da declividade a partir do dados SRTM

37

foi feita da mesma maneira que anteriormente. A FIG 3.22 ilustra o procedimento.

FIG 3.22 - Extração da declividade nas cartas topográficas

A extração da declividade a partir dos dados SRTM foi feita da mesma maneira

que na seção 3.3, apenas utilizando os pontos assinalados nas cartas.

38

4 RESULTADOS

Aplicando-se a metodologia explicada anteriormente chegou-se aos valores das

declividades, cuja análise é o conteúdo deste capítulo e se divide em duas etapas:

estatística e de classificações.

4.1 ANÁLISE ESTATÍSTICA

A TAB 4.1 mostra os valores (em graus) das médias das declividades dos

trechos contidos em cada região, para ambas as fontes de informação (IBGE e

SRTM). Os valores são satisfatoriamente próximos, sendo o maior erro relativo de

aproximadamente 13%, ocorrido entre as diferenças das médias dos trechos

contidos na região 2, o que indica uma maior tendência ao erro em regiões com

relevo mais acidentado. Para efeitos de classificação de declividade (vide TAB 2.1),

os erros são pequenos, extrapolando o valor de 10% da extensão da classe de

declividade em que se encontra somente na região 2 (erro = 1,4; 10% da extensão

da classe ‘ondulado’ = 1,2). Este fato reforça o indício já mencionado da tendência

do erro.

TAB 4.1 - Média das declividades

Declividade Absoluta IBGE - Média Declividade Absoluta SRTM - Média

Região 1 1,82 1,99

Região 2 10,52 9,13

Região 3 2,40 2,50

A TAB 4.2 mostra os valores (em graus) dos desvios-padrão das declividades

dos trechos contidos em cada região, para ambas as fontes de informação. Os

valores de desvio-padrão denotam a variação das declividades dos trechos em cada

39

região, ou seja, quanto maior o desvio-padrão mais acidentado o terreno. Ambas as

fontes de informação (IBGE e SRTM) apontaram através deste indicador a região 2

como mais acidentada, seguida pela região 1 e depois pela região 3. Esta foi

também a ordem descrente das diferenças das médias (vide TAB 4.1). Este fato

atesta a suspeita da tendência do erro aumentar com a irregularidade do terreno.

TAB 4.2 - Desvio-Padrão das declividades

Declividade Absoluta IBGE - Desvio-Padrão

Declividade Absoluta SRTM - Desvio-Padrão

Região 1 3,13 3,11

Região 2 10,24 8,01

Região 3 1,86 1,94

Esta análise estatística feita entre os valores das declividades foi útil para que se

tivesse uma idéia da coerência do processo como um todo, a qual se provou

satisfatória. Porém, cabe ressaltar que o foco do projeto é fornecer uma avaliação do

SRTM como insumo para auxiliar no planejamento estratégico do CENTRAN. E

nesse planejamento, a cada trecho de estrada é atribuída uma classe de declividade

(vide TAB 2.1). Com isso em vista, prosseguir-se-á com uma análise mais

aprofundada sobre os erros nas classificações das declividades.

4.2 ANÁLISE DAS CLASSIFICAÇÕES

Para facilitar esta etapa do processo, Será adicionada à TAB 2.1 uma coluna

contendo um código para cada uma das classes, como mostra a TAB 4.4:

40

TAB 4.4 - Códigos das classes de declividade Código Declividade (graus) Relevo Associado

1 0-3 plano

2 3-8 suave ondulado

3 8-20 ondulado

4 20-45 forte ondulado

5 >45 montanhoso

Os gráficos contidos nas FIG 4.1, FIG 4.2 e FIG 4.3 mostram a freqüência de

cada classe neste processo de extração:

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

freqüência IBGE 5721 1101 78 20 8

freqüência SRTM 5532 1227 153 23 3

1 2 3 4 5

FIG 4.1 - Distribuição das classes de declividade na região 1

41

0

5101520

253035



1 2 3 4 5


0

5

10

15

20

25

30



1 2 3 4 5


A análise das figuras confirma que relevo da região 2 é o mais acidentado. E

mais importante que isso, o número de classificações atribuídas baseando-se nos

dados SRTM se aproxima do obtido com os dados do IBGE, fato ainda mais

42

relevante na região 1, onde a maior quantidade de pontos permite inferências com

mais segurança que nas outras regiões.

Para reforçar esta idéia, será feita uma análise utilizando a amplitude das

diferenças entre as duas classificações. A medida dessa amplitude será feita através

de uma subtração dos valores dos códigos das classes de declividade obtidas via

SRTM e via IBGE. Por exemplo, se a classe atribuiída à declividade de um certo

trecho obtida com os dados do IBGE for 4 (forte ondulado) e para o mesmo trecho

for 1 (plano) com o SRTM, a amplitude da diferença é de três unidades.

Conseqüentemente, o valor dessa amplitude varia de -4 até +4. As FIG 4.4, FIG

4.5 e FIG 4.6 trazem os resultados decorrentes dessa análise:

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

freqüência 3 13 62 676 5690 422 49 16 7

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

FIG 4.4 - Amplitude da diferença para a região 1

43

0

5

10

15

20

25

30

35

freqüência 0 1 9 15 34 21 5 4 0

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4


0

5

10

15

20

25

30

freqüência 0 0 0 3 28 6 0 0 0

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4


44

Estas figuras vêm ilustrar um aspecto já abordado que é o fato da região 2, a

mais acidentada, apresentar uma precisão menor do processo que as outras duas

regiões, mais planas.

Deve-se ressaltar, porém, que os trechos utilizados no cálculo dessas

declividades são da ordem de 300m de comprimento. Para trechos maiores, estas

diferenças tendem a diminuir. Logo, esses dados podem ser usados para trechos

mais longos com um erro tolerável para esta aplicação específica de planejamento

estratégico.

45

5 CONCLUSÕES

A partir dos resultados obtidos, puderam ser elaboradas considerações acerca

do uso do SRTM como insumo para a extração de declividades de eixos rodoviários.

A principal delas é a de que esse uso deve se restringir a aplicações nas quais os

erros explicitados no capítulo 4, que não são totalmente desprezíveis, sejam

toleráveis. Outra constatação foi a de que os erros aumentam com a irregularidade

do terreno, e que esta pode ser identificada com o cálculo de desvios-padrão das

declividades originadas do modelo SRTM e da criação de gráficos de classificação.

Para a utilização deste insumo pelo CENTRAN, em escala de planejamento

logístico de infra-estrutura de transporte, esta metodologia se mostrou eficaz. O

valor da média das declividades (originadas do modelo SRTM) de um conjunto de

trechos; que compõe um trecho maior, como os previstos pelo PNV e preconizados

pelos planejamentos do CENTRAN; foi classificado, nas classes de declividade, em

coerência com os dados do IBGE em todos os casos abordados neste trabalho.

Todavia, deve-se sempre considerar a irregularidade do terreno como uma fonte de

erros, mas como já foi dito, a metodologia de análise que foi aplicada propicia

formas de identificação de regiões onde este efeito pode ser relevante.

Um fruto deste trabalho digno de pesquisas mais aprofundadas é a metodologia

que utiliza como fonte de dados de elevação um MNE, como o modelo SRTM, por

exemplo, para o cálculo das declividades de trechos rodoviários, e de indicadores

estatísticos e gráficos para a análise dos resultados. Um estudo sobre o quanto uma

maior discretização em pontos de um trecho pode mitigar erros, como os causados

pela irregularidade do terreno, poderia agregar a esta metodologia uma maior

flexibilidade, possibilitando um uso mais abrangente. Uma pesquisa que buscasse

definir parâmetros para a discretização dos trechos rodoviários, considerando a

resposta dos indicadores de irregularidade do terreno, tornaria a metodologia,

também, mais efetiva.

E, por fim, recomenda-se o uso do modelo SRTM versão 4 para o emprego da

metodologia aplicada, e destaca-se a grande variedade de conhecimentos nas áreas

46

de Cartografia, Geodésia e Sensoriamento Remoto exigidos ao longo do projeto, o

que reforça a importância de dominar completamente esses conceitos quando do

término do Curso de Engenharia Cartográfica.

47

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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2008. Disponível em http://academic.emporia.edu/aberjame/map/design.htm.

Acessado em 2008.

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Willey & Sons. New York. 1969.

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Engenharia. 1a Ed. Rio de Janeiro, Brasil: 2002

CENTRAN - Centro de Excelência em Engenharia de Transportes.

Desenvolvimento de Plano de Investimento em Transportes. Rio de

Janeiro. 2007.

DNER - Departamento Nacional de Estradas de Rodagem. Manual de Projeto

Geométrico de Rodovias Rurais. Rio de Janeiro. 1999.

IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estática. Noções básicas de Cartografia.

Rio de Janeiro. 2007. Disponível em

http://www.ibge.gov.br/home/geociencias/cartografia/manual_nocoes/indice.htm.

Acessado em 2007.

JARVIS A.; et al. Hole-filled seamless SRTM data V3, International Centre for

Tropical Agriculture (CIAT). 2006. Disponível em http://srtm.csi.cgiar.org.

Acessado em 2007.

48

JPL - Jet Propulsion Laboratory. The Shuttle Radar Topography Mission.

California Institute of Technology. 2007. Disponível em

http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/SRTM_paper.pdf. Acessado em 2007.

PNLT - Plano Nacional de Logística e Transportes - Relatório Executivo. Brasília.

2007.

ROESS, Roger. Traffic Engineering. Prentice Hall. New Jersey. 1998.

SANT’ANNA, Sidnei; et al. Avaliação do Modelo Digital do Terreno Extraído de Dados do SRTM. INPE. Florianópolis, 2007.

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MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO DEPARTAMENTO DE ... · primordial para a mesma, como é a declividade, serviu de estímulo e motivação para a execução deste trabalho,