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Analysis of digital elevation model for relief modeling in the Municipality of Francisco Beltrao-PR/Analise de modelos digitais de elevacao para modelagem do relevo no Municipio de Francisco Beltrao-PR/Analisis del modelo digital de elevacion para modelaje del relieve en el municipio de Francisco Beltrao-PR.

1. INTRODUCAO

De acordo com Valeriano (2008a), um MDE (Modelo Digital de Elevacao) consiste em uma matriz com um valor de elevacao em cada celula (pixel), ou seja, sao arquivos estruturados em linhas e colunas georreferenciados, contendo registros altimetricos. Assim, um MDE e uma representacao tridimensional do relevo, e pode ser usado para extrair variaveis geomorfometricas do mesmo, como declividade, orientacao de vertentes e curvatura do terreno, servindo de suporte para a analise geomorfologica.

Conforme Aspiazu; Alves; Valente (1990) surgiu da expressao Digital Elevation Model (DEM), para se referir aos modelos que consideram como caracteristica do terreno, somente a elevacao. O termo elevacao e utilizado para qualquer imagem que armazene dados que possam ser vistos como elevacao sobre uma determinada superficie. Entre os aspectos da qualidade da informacao topografica, a exatidao altimetrica absoluta e o menos exigido em grande parte das aplicacoes de MDE em estudos do relevo (VALERIANO, 2008b). Ja o MDT (Modelo Digital do Terreno), conforme Carvalho (2009), trata-se do modelo referenciado a altimetria do terreno (ao nivel do solo), enquanto o MDE, no sentido geral da palavra, e a representacao (topografia) de qualquer superficie que nao seja necessariamente referenciada ao nivel verdadeiro do terreno (solo).

Com o MDE e possivel definir a direcao do fluxo da agua, delimitar as bacias hidrograficas e calcular as areas de contribuicao de forma mais rapida, a partir de caracteristicas morfologicas da bacia, tornando-se o metodo mais utilizado para calculos geomorfologicos e extracao de informacoes hidrologicas (LIN et al, 2006). A extracao automatica de informacoes da topografia em ambiente computacional, como exemplifica as analises de redes fluviais, a participacao de microbacias hidrograficas e a identificacao de unidades de relevo, amenizam a demanda de trabalho manual e a subjetividade dessas atividades. Esses exemplos, embora predominem entre as aplicacoes de MDEs, estao longe de esgotar as possiveis finalidades (VALERIANO, 2008b).

MDEs fornecem informacoes espaciais de grande importancia para analise da superficie terrestre, podendo ser provenientes de levantamentos de campo com teodolito, fotografias aereas (estereopar) e cartas topograficas, as quais necessitam de um controle manual e de interpolacao para gerar um MDE. Outras fontes oriundas de interferometria como o Radar (Radio Detecting And Ranging) e o Lidar (Ligth Detection And Ranging) sao fontes ativas de sensores abordo de satelites (orbitais) ou avioes (sub-orbitais) (CARVALHO, 2009). Areas de dificil modelagem, em geral associadas a topografia plana, talvegues e divisores de aguas, assim como de grande inclinacao, dificultam a aquisicao e conhecimento das formas presentes na area analisada, resultando em um MDE inconsistente.

Entre os dados de interferometria mais difundidos atualmente no Brasil, citam-se os produtos da Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)-Missao Topografica de Radar Transportado-que geraram MDEs com pixel de 90 e 30 metros de resolucao (CARVALHO; BAYER, 2008), dados do projeto Topodata, resultantes de uma reamostragem, por krigagem, dos dados da SRTM gerando um MDE com 30 metros de resolucao que recobrem o territorio brasileiro (VALERIANO, 2008a) e dados ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Refelctance Radiometer), que adquire imagens pelo sensor Visibile Near Infra-Red (VNIR), com uma resolucao de 30 metros (CARVALHO, 2009).

Para Sampaio; Souza Sa; Lima (2012), a principal diferenca e que um MDE obtido por interferometria e caracterizado por erros distribuidos espacialmente, enquanto que os derivados do uso de curvas de nivel geram erros mais concentrados em areas de baixa densidade ou de ausencia de dados, como fundos de vales, areas planas e linhas de cumeadas. Entretanto, os dados derivados de interferometria disponiveis gratuitamente, nao atingem o PEC (Padrao de Exatidao Cartografica) A, que as cartas topograficas (escala 1: 50.000 e 1: 25.000) possuem, conforme observado por Miceli et al (2011) e Souza e Duarte (2012), o que ainda deixa duvidas entre as fontes gratuitas, qual delas apresenta o melhor resultado no que concerne as formas do relevo.

A grande diversidade de dados topograficos disponiveis atualmente e a divergencia de seus produtos, deixam em duvida qual e o mais apropriado a um determinado estudo. O resultado final ira depender tanto dos processos aplicados, quanto do modelo utilizado, conforme evidencia Sampaio; Souza Sa; Lima (2012). Uma base confiavel e precisa e crucial para a obtencao de um MDE que seja fiel as formas do relevo, sendo de fundamental importancia para estudos em diversas areas, como planejamento urbano, manejo de bacias e uso do solo entre outros. Assim, o trabalho tem como objetivo avaliar, entre dados disponibilizados gratuitamente, qual MDE melhor representa o relevo do municipio de Francisco Beltrao-PR.

2. MATERIAIS E METODOS

2.1 Caracterizacao fisica do municipio de Francisco Beltrao-PR

O relevo de Francisco Beltrao-PR caracteriza-se como ondulado e nas areas mais elevadas, como montanhoso a escarpado, o que forma um relevo de platos elevados com areas planas e desniveis acentuados. Os interfluvios sao estreitos e os talvegues mostram tendencia ao entalhamento, apresentando alta declividade proxima as cabeceiras (MINEROPAR, 2002). As altitudes variam desde 490 m nas margens do rio Marrecas, a nordeste do municipio, ate 948 m no seu oeste, no macro divisor de aguas entre as bacias do rio Capanema e do rio Chopim.

Por possibilitar a obtencao de diferentes morfologias ao tracar o perfil topografico, trata-se de uma area que se encaixa na proposta deste estudo. Alem disso, na area urbana e periurbana de Francisco Beltrao PR foi realizado levantamento aerofotogrametrico em escala 1: 2.000, o qual permite a validacao dos modelos utilizados. A figura 1 indica a localizacao do municipio no sudoeste do Estado do Parana (PR) e nele, o retangulo da area onde foram gerados os perfis topograficos.

A figura 2 corresponde a um detalhamento da area indicada na figura 1, e ilustra o local onde foram tracados os perfis.

[FIGURE 1 OMITTED]

[FIGURE 2 OMITTED]

2.2 Procedimentos Tecnicos

Os dados utilizados na analise consistem em duas cartas topograficas, uma com escala 1: 25.000 (Folha SG-22-Y-A-II-2-NE e MI-2861-2-NE) e a outra com escala 1: 50.000 (Folha SG.22-Y-A-II-2 e MI2861/2). Foram tambem utilizados dados oriundos de interferometria resultantes da missao SRTM, distribuidos pela United Sates Geological Survey Eros Data Center-USGS EDC (disponiveis em: <http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp>) com resolucao espacial de 90 metros e de 30 metros, e MDEs do projeto Topodata (Banco de Dados Geomorfometricos do Brasil), cuja resolucao espacial e de 30 metros. Os dados advindos do levantamento aerofotogrametrico em escala 1: 2.000 foram adquiridos por um convenio entre a Prefeitura Municipal de Francisco Beltrao com a Secretaria Estadual de Desenvolvimento Urbano e abrange sua area urbana e peri-urbana. Este, por apresentar maior nivel de detalhe, serviu como criterio de validacao, ou seja, e a base atraves da qual foi utilizada no estudo para comparar os perfis resultantes das demais fontes de dados altimetricos ja citados.

As duas cartas topograficas utilizadas sao da Diretoria de Servico Geografico do Exercito (DSG) e utilizam o datum SAD 69. A carta com escala 1: 25.000 possui um nivel de detalhamento maior, diminuindo as areas com carencia de dados, pois a equidistancia entre as curvas de nivel e de 10 metros, enquanto a carta topografica com escala 1: 50.000 possui uma equidistancia entre curvas de 20 metros.

Outra diferenca importante entre as cartas topograficas e sua disponibilidade. Sao escassas as areas no Brasil mapeadas na escala 1: 25.000. Por esse motivo, de restricao em serem encontradas, realizou-se a comparacao tambem com as cartas 1: 50.000 (encontradas com maior facilidade), de forma a dar suporte para a escolha de fontes para trabalhos a serem utilizados em regioes que essa escala nao esta disponivel.

Ja os dados utilizados oriundos de interferometria, SRTM e Topodata, utilizam o datum WGS 84 e possuem algumas diferencas consideraveis. O primeiro, de acordo com Valeriano (2008b), foi gerado atraves de um sobrevoo ocorrido em fevereiro do ano 2000, e resultou no recobrimento de cerca de 80% da superficie do planeta. O produto final foi disponibilizado gratuitamente como um MDE com pixel de 90 metros de resolucao e comercializado com resolucao de 30 metros, sendo liberado em setembro de 2014 para aquisicao gratuita. Ja o Topodata e o resultado de uma reamostragem, por krigagem, dos dados SRTM que recobrem o territorio brasileiro, e foi elaborado pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), gerando um MDE com 30 metros de resolucao (VALERIANO, 2008a). Os dados Topodata possuem acesso livre no site do INPE (disponivel em: <http://www.dsr.inpe.br/topodata/acesso.php>), bem como as variaveis geomorfometricas deles extraidas.

Conforme Cremon e Valeriano (2011) os dados em formato matricial, que foram disponibilizados na internet de forma gratuita, possuem resolucao de 3" (arcos de segundo), o que corresponde a pixels de aproximadamente 90 metros. Isso equivale dizer, que uma area de 8100 [m.sup.2] na superficie real do terreno, conta com o mesmo valor altimetrico no MDE. Sendo assim, pequenos vales ou elevacoes dentro dessa area, serao uniformizados a um mesmo valor. Portanto, o uso dos dados SRTM traz vantagens no estudo de grandes areas, e e utilizado principalmente para estudos em mesoescala, isto e, mapeamentos em escalas a partir de 1: 250.000 (SOUZA; DUARTE, 2012).

Porem, existem dados SRTM com pixel de 30 metros (900 [m.sup.2]), os quais permitem um estudo em escalas maiores, mas que so foram disponibilizados de forma gratuita recentemente, em setembro de 2014. Tanto os dados com pixel de 90 metros, quanto os com pixel de 30 metros de resolucao foram utilizados no presente estudo, a fim de verificar se, com o aumento na resolucao espacial, ocorreu ganho de qualidade nos perfis gerados.

De uma forma geral, o projeto Topodata consiste em um refinamento, interpolado por krigagem os dados SRTM, de 3" para 1" (CREMON; VALERIANO, 2011). Este refinamento resultou em um banco de dados, com variaveis geomorfometricas, disponibilizado gratuitamente na internet pelo INPE. O MDE Topodata e resultante de um processo de reamostragem de dados mais "grosseiros". Segundo Valeriano (2008a), o processo de refinamento nao necessariamente resultara em dados com nivel de detalhe superior aos originais. Portanto, o uso dos dados Topodata em paralelo com os dados da SRTM, tem o objetivo de determinar ate que ponto, para a area de estudo em questao, os dados Topodata fornecem vantagem frente aos dados da SRTM.

Em seu trabalho acerca do desempenho dos dados da SRTM e Topodata, Cremon e Valeriano (2011) concluem que os dados Topodata sao mais confiaveis por apresentar o mesmo nivel de detalhamento, sem o efeito de rugosidade. Outros estudos utilizaram criterios estatisticos para realizar essa comparacao. Cita-se Miceli et al (2011) e Souza e Duarte (2012) que utilizaram do Padrao de Exatidao Cartografica (PEC), atraves do calculo da Tolerancia Vertical e do Erro Medio Quadratico (EMQ), conforme especifica o decreto no 89.817/1984 (BRASIL, 1984).

Tanto para Miceli et al (2011) quanto para Souza e Duarte (2012), os dados Topodata alcancaram indices melhores que a SRTM (90 m), atingindo a classe B para a Tolerancia Vertical na escala 1: 50.000. Ja no estudo de Souza e Duarte (2012), o indice de EMQ atinge a classe A do PEC. Neste mesmo trabalho, os autores concluem que a escala 1: 50.000 nao e indicada para se trabalhar dados da SRTM, visto que estes, nao atingiram sequer a classe C, tanto em Tolerancia Vertical quanto em EMQ. Por outro lado, nestes trabalhos nao foram utilizados dados da SRTM com resolucao de 30 metros, apenas dados com resolucao espacial de 90 metros, uma vez que estes foram disponibilizados recentemente de forma gratuita.

Como a proposta do trabalho foi avaliar a representacao do relevo por meio de perfis topograficos, os quais abrangem do topo do morro ao fundo do vale, escolheu-se areas de facil identificacao destas morfologias. Tambem evitou-se tracar os perfis sobre areas urbanizadas, uma vez que os elementos contidos acima da superficie e as alteracoes antropicas, interferem nos MDE obtidos por interferometria.

O primeiro passo para realizar a comparacao dos dados, foi georreferenciar as cartas topograficas da DSG/Exercito, e em seguida, digitalizar as curvas de nivel e pontos cotados. Estes processos foram realizados no ambiente do Spring (versao 5.2.6), o qual pode gerar malhas numericas atraves de curvas e pontos cotados, ou seja, dados altimetricos (BOSIO; ZUIM, 2007). Para a geracao das malhas numericas, primeiramente criou-se pelo metodo de triangulacao Delaunay, uma malha triangular TIN, atraves da qual, por meio de interpolador linear, foi gerada a grade retangular bem como a matriz contendo os valores interpolados para cada pixel onde ha ausencia de dados.

Os dados SRTM e Topodata estao disponiveis em forma de matriz e possuem a grade com valores altimetricos e foram entao, importados ao banco de dados do Spring e realizada a sua conversao para o sistemas SAD 69, uma vez que esse e o sistema de referencia do levantamento aerofotogrametrico, utilizado como base para a comparacao dos perfis. Para tornar possivel a comparacao entre as diversas fontes de dados altimetricos, tracou-se dois perfis topograficos, comparando-os com os perfis do levantamento aerofotogrametrico que possui escala 1: 2.000 e equidistancia das curvas de 1 m. Os perfis foram tracados na escala 1: 25.000 de acordo com a morfologia do terreno, de modo que abrangesse diferentes compartimentos: topo do morro, encosta e fundo do vale, uma vez que a avaliacao deve abranger diferentes morfologias do terreno, pois dependendo do tipo de dado, privilegia uma forma ou outra do relevo.

3. RESULTADOS E DISCUSSAO

Na figura 3 apresentam-se os MDEs que foram gerados por interpolacao a partir de curvas de nivel e pontos cotados ou adquiridos ja em representacao matricial para realizar a comparacao. Nos detalhes circulados, constam os locais onde tracaram-se os perfis.

O primeiro perfil (A-B) foi tracado sobre a area localizada no bairro Miniguacu, e abrange desde o topo do morro ate o rio Marrecas, recebendo por isso esta denominacao. O segundo perfil (C-D) foi tracado em uma encosta, desde o topo do morro ate o rio Santa Rosa, afluente do Rio Marrecas, por isso, denominado de Perfil Santa Rosa. A figura 4 ilustra os diferentes resultados obtidos para o Perfil Miniguacu e a figura 5, os resultados obtidos para o perfil Santa Rosa.

[FIGURE 3 OMITTED]

Analisando os perfis tracados no bairro Miniguacu (figura 4), podemos notar que os derivados de cartas topograficas ocultam algumas formas de relevo nas areas planas, como pequenas elevacoes e depressoes, o que se deve a baixa densidade de dados (curvas de nivel e pontos cotados) nessas areas. MDEs gerados a partir de curvas de nivel, com resolucao espacial de 1 metro para a carta 1: 25.000 e de 10 metros para a carta 1: 50.000 criam perfis angulosos, que nao se traduzem na superficie real do terreno. Esse efeito tambem e visivel, porem em menor proporcao, no perfil gerado pelos dados SRTM de 90 m. Dessa forma, podemos notar a interferencia que a resolucao pode causar na modelagem do terreno.

[FIGURE 4 OMITTED]

Quanto a diferenca altimetrica, a carta 1: 50.000 foi a que mais se aproximou dos dados de referencia, tanto no topo do morro quanto no fundo do vale superando, inclusive, a carta 1: 25.000, o que pode ter acontecido devido a algum erro ao referenciar o datum altimetrico duarante a sua confeccao. Entretanto, o intuito do trabalho nao e avaliar a acuracia almtimetrica e sim, as formas de relevo resultantes, a qual gerou um perfil com formas retilineas e angulosas, que nao correspondem com o relevo real. Os dados da SRTM tambem acabam ocultando algumas formas de relevo, principalmente os dados com pixel de 90 m. Os perfis que apresentaram os melhores resultados na comparacao com o levantamento em escala 1: 2.000 no perfil Miniguacu foram os provenientes de interferometria: o projeto Topodata e da SRTM de 30 m.

Para nao limitar-se aos resultados obtidos atraves dos perfis tracados no Miniguacu (figura 4), foi gerado um segundo perfil, exposto na figura 5. Dessa forma, buscou-se apontar se os modelos derivados de interferometria continuarao apresentando melhor aproximacao com o perfil de referencia.

[FIGURE 5 OMITTED]

Tomando por base o perfil gerado atraves do levantamento aerofotogrametrico e por trabalhos de campo, quando comparamos os perfis Topodata (30 m) e a Carta Topografica (1: 50.000), para a area do perfil Santa Rosa, percebe-se que os dados Topodata permitem uma leitura mais fiel do relevo, tanto em morfologia, quanto em diferenca altimetrica. Se comparados aos dados SRTM 30 m, nota-se uma grande semelhanca entre os perfis, porem, os dados Topodata sao mais aproximados em termos de diferenca altimetrica com o levantamento aerofotogrametrico. Sendo assim, dos dados altimetricos disponiveis gratuitamente para esta area, os resultantes do projeto Topodata sao mais adequados para trabalhos do genero, tendo superado nao so a carta 1: 50.000, mas inclusive, a carta com escala 1: 25.000 e os dados SRTM 30 m.

Dessa forma, ao analisarmos a diferenca altimetrica de cada fonte de dados nas figuras 4 e 5, pode-se perceber que as cartas topograficas apresentam uma discrepancia maior, quando comparadas ao levantamento aerofotogrametrico, embora a origem seja a mesma do MDE de referencia (interpolacao de pontos cotados e curvas de nivel). Entre as cartas topograficas, a de escala 1: 25.000 e a que apresentou maior diferenca, principalmente no topo do morro. Nesse quesito, destacam-se o desempenho dos dados Topodata, que apresentaram pequena diferenca no fundo do vale, diferenca essa ainda menor no topo do morro. Quanto ao aspecto visual dos perfis, nota-se que os originados de interferometria, se comparados aos derivados das cartas topograficas, resultam em perfis mais suaves, principalmente as fontes de dados com pixel de 30 m (Topodata e SRTM).

4. CONSIDERACOES FINAIS

Para a area estudada, os modelos mais aproximados da realidade do terreno sao os derivados de interferometria. Dentre esses, destacou-se os dados do projeto Topodata, seguido da SRTM 30 m que mostraram os melhores resultados, pois proporcionaram maior semelhanca no que diz respeito a morfologia. Assim, comprovou-se que os MDEs obtidos por curvas de nivel e pontos cotados, mesmo com a escala maior do que os dados gerados por interferometria apresentaram resultados inferiores em areas com baixa densidade ou ausencia de dados.

O fato de que dados de cartas topograficas e dados gerados por interferometria serem obtidos por processos diferentes, limita a comparacao entre ambos. Portanto, aconselha-se novos estudos comparativos para areas com morfologia diferente desta, pois de acordo com o objetivo de cada trabalho, o resultado pode variar, dependendo da area de estudo, da forma de avaliacao e dos interpoladores utilizados. Assim, recomenda-se tambem, testar outros interpoladores, alem do TIN, sobre os dados derivados de cartas topograficas, a fim verificar se ocorrera melhoria nos resultados.

Recomenda-se tambem, realizar testes com outros dados, como do sensor ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Refelctance Radiometer), que diferentemente dos MDEs da SRTM, o ASTER adquire imagens pelo sensor Visibile Near Infra-Red (VNIR), com uma resolucao de 30 metros.

REFERENCIAS

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Fabiano Andre Marion

Universidade Estadual do Oeste do Parana (Unioeste)-Prof. Me. Curso de Geografia. Grupo de Pesquisas em Geotecnologias, Rua Maringa, 1200, Bairro Vila Nova, CEP 85605-010, Francisco Beltrao-PR. fabiano.marion@unioeste.br

Elmir Borges dos Santos

Universidade Estadual do Oeste do Parana (Unioeste)-Bacharel em Geografia. Grupo de Pesquisas em Geotecnologias, Rua Maringa, 1200, Bairro Vila Nova, CEP 85605-010, Francisco Beltrao-PR. elmirborges@hotmail.com

Elvis Rabuske Hendges

Universidade Estadual do Oeste do Parana (Unioeste)-Prof. Dr. Curso de Geografia. Grupo de Pesquisas em Geotecnologias, Rua Maringa, 1200, Bairro Vila Nova, CEP 85605-010, Francisco Beltrao-PR. elvis.hendges@unioeste.br
Quadro 1--Desempenho dos MDE perante a Tolerancia Vertical e EMQ.
Adaptado de: Miceli et al (2011) e Souza e Duarte (2012).

Autores     Sensor            Escala       Tolerancia   Erro Medio
                              compativel    Vertical    Quadratico

Miceli et   SRTM (90 m)       1:100.000        A            A
  al                          1:50.000         C            C
  (2011)    TOPODATA (30 m)   1:100.000        A            A
                              1:50.000         B            B
Souza e     SRTM (90 m)       1:100.000        A            A
  Duarte                      1:50.000     Nao atinge   Nao atinge
  (2012)                                     os           os
                                             indices      indices
            TOPODATA (30 m)   1:100.000        A            A
                              1:50.000         B            A
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Title Annotation:texto en portugues
Author:Marion, Fabiano Andre; dos Santos, Elmir Borges; Hendges, Elvis Rabuske
Publication:Revista Geografica Academica
Date:Jul 1, 2015
Words:4010
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