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.