Proposta metodológica para medidas de direção e ... · Essa forma geométrica auxilia a interpretação porque facilita a observação das relações de vizinhança com seis hexágonos

Anais 2º Simpósio de Geotecnologias no Pantanal, Corumbá, 7-11 novembro 2009,

Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p.383-391.

383

Proposta metodológica para medidas de direção e intensidade de mudanças na paisagem

Lídia Sanches Bertolo Guilherme T. N. P. Lima

Rozely Ferreira dos Santos

Laboratório de Planejamento Ambiental – LAPLA, DRH-FEC/UNICAMP CP 6021, CEP 13.083-970, Campinas (SP), Brasil

[email protected] {gtnplima, roze}@fec.unicamp.br

Resumo. A capacidade transformadora das sociedades humanas ao longo da história sempre foi a responsável pela mudança contínua que vem modelando o meio, resultando na distribuição e qualidade atual da paisagem. No entanto, para que ocorra uma interpretação eficaz desses cenários é necessário fornecer medidas eficientes sobre as mudanças, ou seja, sobre as diferenças de composição, estrutura e arranjo entre os elementos componentes da paisagem ao longo do tempo. Para contribuir nessa direção, este estudo propõe um método baseado em segmentação hexagonal, índice espacial, matriz de mudança e índices de saldos de conservação. O objetivo foi medir espacialmente a direção e intensidade de mudanças provenientes da ocupação humana. O método foi aferido pela avaliação da possibilidade de sua aplicação em um estudo de caso (Ilha de São Sebastião, SP). Sua aplicação possibilitou o desenho das linhas vetoriais da mudança dentro de cada paisagem e supor os seus efeitos cumulativos. Porém, não foi possível relativizar o saldo de mudança entre as interfaces dos segmentos hexagonais. Acredita-se que, em função do conhecimento existente sobre a evolução das mudanças do uso e ocupação do solo no Pantanal, este método pode ser amplamente aplicado nessa região. Palavras-chave: sensoriamento remoto, índices de mudança, ecologia da paisagem.



384

Abstract. The transforming capacity of human societies throughout history has always been the responsible for the continuous change that have been shaping the environment, resulting in the actual landscape distribution and quality. However, to have an effective interpretation of these scenarios is necessary to provide effective measures of change. These measures must show differences in composition, structure and arrangement between the components of the landscape over time. To contribute in this direction, this study proposes a method based on hexagonal segmentation, spatial index, matrix of change and a conservation balance index. The objective was to spatially measure the direction and the intensity of changes caused by human occupation. The method was gauged by the evaluation of the possibility of its application in a case study (Ilha de São Sebastião, SP). Its application enabled to design the change lines vectors within each landscape and also to presume their cumulative effects. However, it was not possible to not relativise the change balance between the interfaces of hexagonal segments. In function of the knowledge about the changes of land use in Pantanal, we believe this methods can be broadly applied in this region. Key-words: remote sensing, change indexes, landscape ecology

1. Introdução

A compreensão das mudanças da paisagem resultantes das pressões humanas através do tempo permite visualizar o seu futuro e, dessa forma, auxilia a tomada de decisões sobre um território. Reconhece-se que a capacidade transformadora das sociedades humanas ao longo da história sempre foi a responsável pela mudança contínua que vem modelando o meio, resultando na distribuição e qualidade atual da paisagem (Teklemberg et al., 1997). No entanto, para que ocorra uma interpretação eficaz desses cenários é necessário fornecer medidas eficientes sobre as mudanças, ou seja, sobre as diferenças de composição, estrutura e arranjo entre os elementos componentes da paisagem ao longo do tempo (Risser et al., 1984; Forman e Gordon, 1986; Turner et al., 2001; Wiens, 2005).

A literatura científica exaustivamente mostra que por meio de técnicas de sensoriamento remoto aplicadas em mapas de vegetação e usos da terra é possível retratar a situação atual e passada, comparar as diferenças e apontar os efeitos da ocupação do homem dentro de um território (Santos, 2004). No entanto, a maior parte desses estudos evidencia as mudanças na estrutura e dificilmente reproduzem os momentos históricos marcados pelas alterações das funções na paisagem que, por sua vez, induzem novas estruturas espaciais (Torrens et al., 2001). Além disso, é importante destacar que mudança na paisagem não é unidirecional, ou seja, pode caminhar tanto para a degradação quanto para a recuperação do território. A conclusão sobre o caminho depende da análise de uma escala temporal adequada, que permite retratar a dinâmica da mudança (Santos e Caldeyro, 2008).

Essas considerações conduzem a conclusão de que é necessária a busca por medidas integradoras ou metodologias que melhor integrem as informações das estruturas espaciais ao longo da história da paisagem. Nesse sentido, o presente trabalho busca indicar um caminho para avaliar quali-quantitativamente as mudanças em paisagens com variação nos usos ao longo do tempo e do espaço.

2. Objetivo

A razão deste estudo foi desenvolver um método baseado em índices espaciais para identificar, indicar e medir espacialmente a direção e intensidade de mudanças provenientes da ocupação humana. O método foi aferido pela avaliação da possibilidade de sua aplicação em um estudo de caso.

3. Proposta metodológica

3.1. Pressupostos teóricos



385

Bacias hidrográficas de ambientes transicionais, como paisagens costeiras e de áreas úmidas, apresentam arranjos espacias complexos, que são o resultado da história do lugar associado às variações naturais dos territórios. Essas paisagens devem ser planejadas a partir de premissas teóricas específicas. Dentro dessa concepção, este estudo definiu a direção e intensidade de mudanças na paisagem a partir de seis pressupostos:

(a) As mudanças de uma paisagem em um momento histórico não interferem igualmente em toda sua extensão e, portanto, a paisagem pode ser dividida e analisada em áreas menores, formando várias unidades de análise;

(b) A interpretação das estruturas da paisagem em seus diversos momentos históricos deve ser feita a partir do reconhecimento, em cada unidade de análise, das forças motoras que conduzem à mudança;

(c) A medida da mudança nas unidades de análise ao longo do tempo pode se dar no sentido da conservação (saldo positivo) ou no sentido da degradação (saldo negativo);

(d) A direção das mudanças, impressas na paisagem ao longo do tempo, pode ser transformada em vetores que indicam o sentido da conservação ou degradação;

(e) A interpretação dos vetores depende da seqüência de mudanças nas unidades de análise vizinhas, ou seja, quanto maior o número de interfaces entre as unidades, mais explícito o caminho da mudança; e

(f) A melhor forma de reconhecer a mudança é pela avaliação da complexidade estrutural interna de cada unidade de análise da paisagem, identificadas por índice e comparadas entre si por uma matriz de mudança.

A partir desses pressupostos foi elaborado o delineamento metodológico, o qual foi aplicado em duas áreas de estudo, de forma a obter uma aferição da aplicabilidade da metodologia proposta.

3.2. Aplicação em um estudo de caso

Foram selecionadas duas áreas da Ilha de São Sebastião, no litoral norte de São Paulo, como estudo de caso (Figura 1). Estas áreas foram descritas por Bertolo (2008) e Bertolo et al. (no prelo) como situações antagônicas (regeneração e urbanização) que se diferenciam pelo histórico de ocupação e abrangem um gradiente transicional entre montanha e mar.

3.3.Desenvolvimento metodológico

Para o desenvolvimento da metodologia foram utilizadas as informações de Bertolo (2008) e Bertolo et al. (no prelo) obtidas pelo processamento das fotografias aéreas pancromáticas horizontais de 1962 e 2001 da Ilha de São Sebastião (SP). A partir desse material foram obtidos mapas de uso e ocupação da terra em SIG ArcView, cuja legenda poderia ser comparada entre si.

O primeiro passo metodológico consistiu na subdivisão das áreas selecionadas em células hexagonais de 1 hectare, para observação das mudanças ocorridas trecho a trecho na paisagem (Fujihara & Kikuchi, 2005). Essa forma geométrica auxilia a interpretação porque facilita a observação das relações de vizinhança com seis hexágonos fronteiriços em seus três eixos (Birch et al. 2007, Schindler et al. 2008 e Mateucci e Silva, 2005) e minimiza a relação perímetro/área, possibilitando uma melhor cobertura da paisagem analisada (Alvares-Alfonso, 1990). Essa exata área (1 hectare) foi utilizada por representar o tamanho mínimo em que se pode representar os padrões da paisagem, na escala de trabalho (Matteucci e Silva, 2005). Para tanto, utilizou-se a função MakeHex (Patch Analyst-ArcView) apresentado por Rempel et al. (1998).



386

Figura 1. Localização das duas áreas amostrais na Ilha de São Sebastião (SP)

Em cada hexágono das duas áreas selecionadas, para as duas datas, foi aplicada a métrica

da paisagem Número de Manchas (NPATCHES), por meio da contagem do número de polígonos inseridos em cada um deles, para todas as classes de mapeamento. Essa aplicação objetivou fornecer indícios sobre a complexidade estrutural do lugar, baseada em cada hectare de território, sem a definição se a configuração interna está voltada para o uso ou para a conservação (Birch et al., 2007).

O passo seguinte foi identificar o tipo de mudança ocorrida entre 40 anos em cada hexágono. Para tanto, foram atribuídos valores que consideraram a relação entre uso e conservação, de forma a obter a direção da mudança dentro do hectare. Esses valores foram obtidos a partir da construção de uma matriz de mudança na qual relacionava duas a duas as classes mapeadas (Tabela 1). Os valores atribuídos ( pC ) e a lógica utilizada para isso podem

ser observados na Tabela 2. Para se chegar a um único valor por hexágono foi aplicada a equação 1.

∑=

n

pHi CV (equação 1)

HiV é o valor do hexágono após o saldo da mudança;

pC é a classificação de cada polígono;

n é o número de manchas dentro de cada hexágono.

O cálculo de HiV , objetivou sumarizar a informação sobre a mudança e que pode ser

interpretada da forma apresentada na Tabela 3.



387

Tabela 1. Matriz de mudança

T1T

2

Ace

sso

terr

estr

e

Áre

a re

side

ncia

l

Árv

ores

isol

adas

Cul

tivo

de

café

Cam

po a

ntró

pico

Cam

po a

ntró

pico

+re

sidê

ncia

s is

olad

as

Cos

tão

roch

oso

Ace

sso

mar

inho

Pra

ia

Sol

o ex

post

o

Veg

etaç

ão p

ione

ira

Veg

etaç

ão d

egra

dada

Veg

etaç

ão e

m b

om e

stad

o de

con

serv

ação

0 -1 +1 +1 -1 -1 x x x -1 +1 +1 +1+1 0 +1 +1 +1 +1 x x x +1 +1 +1 +1-1 -1 0 1 -1 -1 x x x -1 +1 +1 +1-1 -1 -1 0 -1 -1 x x x -1 +1 +1 +1+1 -1 +1 +1 0 -1 x x x -1 +1 +1 +1+1 -1 +1 +1 +1 0 x x x +1 +1 +1 +1x x x x x x 0 -1 x x x x x

+1 x x x x x x 0 +1 x +1 +1 +1x -1 +1 x x x x -1 0 x x x x

+1 -1 +1 +1 +1 -1 x x x 0 +1 +1 +1-1 -1 -1 -1 -1 -1 x -1 x -1 0 +1 +1-1 -1 -1 -1 -1 -1 x -1 x -1 -1 0 +1-1 -1 -1 -1 -1 -1 x -1 x -1 -1 -1 0

(x) - relação inexistente; (+1) - mudança em direção a conservação; (-1) - mudança em direção ao uso.

Solo expostoVegetação pioneiraVegetação degradadaVegetação em bom estado de conservação

Acesso terrestreÁrea residencialÁrvores isoladasCultivo de caféCampo antrópicoCampo antrópico+residências isoladasCostão rochosoAcesso marinhoPraia

Tabela 2. Lógica adotada para classificação de cada polígono

Mudança por polígono Nível de mudança Classificação do

polígono ( pC )

Ti � Ti Nulo 0

Ti � Tj Conservação � Uso -1

Tj � Ti Uso � Conservação +1

Tj � Ti Relação inexistente X

Tabela 3. Interpretação do HiV

Se HiV = Então

Não houve mudança 0

Houve neutralização da mudança no processo de fragmentação

Houve somente mudança voltada a conservação +1, +2 ... +n

Houve mudanças em ambos sentidos com predomínio em direção a conservação

Houve somente mudança voltada ao uso -1, -2 ... - n

Houve mudanças em ambos sentidos com predomínio em direção ao uso



388

A Figura 2 exemplifica de forma espacial a aplicação de HiV em um único hexágono.

Figura 2. Exemplo de aplicação da metodologia por hectare de território

Na seqüência, foi criado um mapa que expressava a complexidade de cada hexágono,

utilizando o numero de manchas em cada hexágono, associado ao valor da mudança ( HiV ). Essa estratégia objetivou desenhar as linhas vetoriais da mudança dentro de cada

paisagem e supor os seus efeitos cumulativos.

4. Resultados e Discussão

A divisão da área de estudo em unidades de análise menores na forma de hexágono facilitou a interpretação das mudanças a cada hectare e aumentou a compreensão, complexidade da estrutura e das mudanças do território. Além disso, a forma hexagonal sugerida por diversos pesquisadores de ecologia da paisagem (Schindler et al., 2008; Birch et al., 2007; Mateucci e Silva, 2005) permitiu a criação de uma malha com maiores interfaces entre as unidades de análise, facilitando o desenho dos vetores de mudança.

A Figura 3 apresenta os resultados obtidos. A aplicação do índice NPATCHES por hexágono (número de polígonos por unidade de análise) evidenciou as áreas que concentram a complexidade estrutural da paisagem. Quando comparados entre as duas datas mapeadas (1962 e 2001) pode-se pressupor os caminhos da evolução ou da complexidade no tempo e no espaço.

Entretanto, os dados obtidos através desse tipo de análise não permitiram afirmar se o aumento ou diminuição da complexidade da paisagem seria em função de uma maior degradação – pelo uso antrópico, ou uma regeneração – pela recuperação dos estágios iniciais e evolução de estágio da floresta nativa. Para entender o sentido da mudança, utilizou-se o cálculo de pC (classificação do polígono) para cada polígono dentro do período de análise

(1962 – 2001) e em cada hexágono. Com isso, obteve-se um conjunto de dados sobre a orientação da mudança para cada polígono dentro de cada hexágono. Essa informação, numa primeira análise, permitiu supor o tipo de uso que a área teve no período de 39 anos dentro de cada hexágono.

Para generalizar a informação para a unidade de análise, calculou-se o HiV , objetivando

calcular o valor do saldo de mudança de cada hexágono. A espacialização dessas informações possibilitou a criação de um mapa no qual é possível avaliar as mudanças ocorridas em cada unidade de análise, segundo o sentido da conservação (saldo positivo) ou sentido da exploração (saldo negativo), conforme destaca a Figura 3 (mudanças em função da conservação ou uso).

A avaliação do saldo da mudança ocorrida nas áreas entre os anos de 1962 e 2001 possibilitou observar com maior clareza a orientação das mudanças. Foi retratado um saldo negativo (hexágonos vermelhos e laranjas), que evidenciam as ações antrópicas, mas também



389

as áreas anteriormente degradadas em que houve uma grande recuperação, representadas pelo saldo positivo (hexágonos verdes). Também evidenciou-se que uma boa parte da área no passado constituída por vegetação nativa em bom estado de conservação se manteve até 2001.

Ao combinar as informações do mapa de complexidade da paisagem com o do saldo da mudança (Figura 3), foi possível observar de forma mais clara que as mudanças ocorridas na paisagem costeira da Ilha de São Sebastião orientam-se a partir de um sentido preferencial de desenvolvimento em cada uma das áreas analisadas.

Cabe destacar que, pela metodologia adotada é possível observar que os saldos (nulo, positivo ou negativo) não implicam, automaticamente, em maior ou menor complexidade dos hexágonos. Não houve como resposta uma avaliação efetiva da integração entre as unidades de análise. No entanto, a resposta obtida com a sobreposição das duas informações (saldo e evolução do número de polígonos) permite determinar com maior exatidão os locais onde as ações do planejamento devem ser dirigidas, bem como o seu sentido de orientação.

Acredita-se que o método desenvolvido neste estudo deva servir à interpretação da realidade pantaneira, uma vez que é uma região cujas mudanças históricas resultaram em um sistema bastante complexo. Grande parte das mudanças nesse território é o resultado de muitas decisões feitas em escalas pontuais ou escalas de sítio. Por outro lado, as alternativas de desenvolvimento agropecuário e ambiental estão sendo apresentadas numa escala de alcance regional (Santos et al., 2006), o que exige uma observação em diversas escalas e extensões territoriais. A compreensão das mudanças históricas trecho a trecho no Pantanal, deve auxiliar o entendimento das transições entre relevos e a influência humana, que se apresentam como um continuum em algumas de suas bacias hidrográficas.

5. Conclusões

Este estudo apresentou um método que possibilita obter e desenhar vetores de mudança trecho a trecho de bacias hidrográficas complexas, como no caso de regiões pantaneiras, a partir do processamento e interpretação de informações georreferenciadas. A proposta metodológica baseia-se na aplicação de segmentação hexagonal, índice espacial, matriz de mudança e índices de saldos de conservação utilizando um SIG como instrumento geotecnológico. A estratégia permitiu determinar a quantidade e direção de mudanças ocorridas em cada unidade de análise em função da medida da conservação ou da exploração. Essa metodologia é um avanço sobre os métodos usuais de avaliação de mudanças, como o de sobreposição, porque: (a) tende a revelar o grau de diversidade e complexidade do uso da terra, bem como a fragmentação da paisagem, retratando as mudanças espaciais no tempo trecho a trecho; (b) permite desenhar as linhas vetoriais da mudança dentro de cada paisagem e supor os seus efeitos cumulativos; e (c) aprimora o reconhecimento das áreas cobertas por vegetação natural quanto ao tempo de ocorrência, estado e integridade, evidenciando a dinâmica do lugar. Vale ressaltar que a interação relativa entre cada hexágono não é devidamente medida por esse método, ou seja, não é possível relativizar em cada uma das interfaces o saldo de mudança. Acredita-se que, em função do conhecimento existente sobre a evolução das mudanças do uso e ocupação do solo no Pantanal, este método pode ser amplamente aplicado nessa região.



390

Figura 3. Exemplo da aplicação do método proposto em suas três etapas principais.



391

6. Referências

Alvares-Afonso, R. M. Estudio y valoración del paisaje: território de Valderejo Santander. Cantabria: Universidad de Cantabria, 1990.

Bertolo, L. S. Medida de mudança espaço-temporal como fonte de identificação das linhas de evolução de paisagem costeira. Estudo de caso: Ilha de São Sebastião – SP. Tese (Dissertação de Mestrado em Recursos Hídricos, Energéticos e Ambientais) – Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo – FEC. Campinas: UNICAMP, 2003.

Bertolo, L. S.; Lima, G. T. N. P.; Santos, R. F. (no prelo) Spatiotemporal change indexes to identify the historical evolution in a coastal region – case study: São Sebastião Island– SP. Brazilian Journal of

Oceanograph.

Birch, C. P. D.; Oom, S. P.; Beecham, J. A. Rectangular and hexagonal grids used for observation, experiment and simulation in ecology. Ecological Modelling, v. 206, n. 3-4, p. 347-359, 2007.

Forman, R.T.T.; Godron, M. Landscape ecology. New York: Wiley & Sons, 1986.

Fujihara, M.; Kikuchi, T. Changes in the landscape structure of the Nagara River Basin, central Japan. Landscape and Urban Planning, v.70, n.3-4, p.271-281, 2005.

Mateucci, S. D. y Silva, M. Selección de métricas de configuración espacial para la regionalización de un territorio antropizados. GeoFocus: Revista Internacional de Ciencia y Tecnología de la Información Geográfica, ISSN 1578-5157, Nº. 5, , p. 180-202, 2005.

Rempel, R.; Carr, A.; Elkie, P. Patch Analyst 2.2. http://flash.lakeheadu.ca/~ rempel/patch/download.html, 1998

Risser, P.G., Karr, J.R. & Forman, R.T.T. Landscape ecology, directions and approaches. Illinois Natural History Surveys, Special Publications, n. 2, p. 1-18, 1984.

Santos, R. F. Planejamento ambiental – teoria e prática. São Paulo: Oficina de Texto, 2004.

Santos, R. F.; Caldeyro, V. S. Paisagens, condicionantes e mudanças. In: SANTOS, R. F. (Org.) Vulnerabilidade Ambiental. Brasília - DF: Ministério do Meio Ambiente, 2007. p. 13-22.

Santos, R. F. ; Silva, J. S. V. ; Abdon, M. M. . Planejamento para conservação dos recursos pantaneiros. In: 1ª Simpósio de Geotecnologias no Pantanal, 2006, Campo Grande. Anais 1ª Simpósio de Geotecnologias no Pantanal, 2006. p. 648-690.

Schindler, S.; Poirazidis, K.; Wrbka, T. Towards a core set of landscape metrics for biodiversity assessments: A case study from Dadia National Park, Greece. Ecological indicators, v.8, n. 5 p. 502 – 514, 2008.

Teklemburg, J.;Timmermans, H.; Borges, A. Design tools in a integrated CAD-GIS environment: space syntax as an example. In: H. TIMMERMANS (Ed), Decision support systems in urban planning. London: E & FN Spon, 1997. p. 261-276.

Torrens, P.; O’Sullivan, D. Cellular automata and urban simulation: were do we go from here? Environment and Planning B: Planning and Design, v. 28, p. 163-168, 2001.

Turner, M.G.; Gardner, R.H.; O’Neill, R.V. Landscape ecology in Theory and Practice: pattern and process. New York: Springer-Verlag, 2001.

Wiens, J. A.; Moss, M. Studies in landscape ecology: issue and perspectives in landscape ecology. Cambridge: Cambridge University Press, 2005.

Documents

Proposta metodológica para medidas de direção e ... · Essa forma geométrica auxilia a interpretação porque facilita a observação das relações de vizinhança com seis hexágonos