Delimitação automática de bacias hidrográficas aplicada à Sub-bacia do rio Imbassaí, Litoral Norte – Ba

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ARTIGO ORIGINAL

ALMEIDA, Gláucia da Silva [1], SILVA, José Williams Soares [2]

ALMEIDA, Gláucia da Silva. SILVA, José Williams Soares. Delimitação automática de bacias hidrográficas aplicada à Sub-bacia do rio Imbassaí, Litoral Norte – Ba. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 04, Ed. 01, Vol. 01, pp. 61- 80. Janeiro de 2019. ISSN:2448-0959

RESUMO

Tem como objetivo apresentar e testar o método de delimitação automática de bacias hidrográficas, aplicado à sub-bacia do rio Imbassaí, situada entre os municípios de Itanagra e Mata de São João, litoral norte baiano. Para isso, utilizou-se o Modelo Digital de Elevação (MDE) do projeto SRTM de resolução espacial de 30 metros como insumo e, para execução do método, ferramentas de extensão do software ArcMAP: spatial analyst tools, da Environmental Systems Research Institute (ESRI). Dentre elas, respectivamente, fill sinks, flow direction, flow accumulation e a delimitação de bacia hidrográfica watershed delineation. A padronização do traçado e a habilidade do programa para a delimitação apresentou-se como uma atividade de extrema importância para o planejamento territorial. Porém, não correspondeu à expectativa de um traçado preciso e completo da sub-bacia rio Imbassaí, uma vez que, o fluxo acumulado calculado não considerou o ponto exato da foz do rio, comprometendo o limite da sub-bacia delimitada.

Palavras-chave: Sistemas de Informações Geográficas (SIG), delimitação automática, sub-bacia hidrográfica, Modelo Digital de Elevação (MDE).

INTRODUÇÃO

Adotar a bacia hidrográfica como unidade espacial de planejamento é uma atividade característica da Geografia Física e de aceitação universal para gestão territorial. Para Santos (2004), trata-se de um sistema natural bem delimitado no espaço, é um conjunto de terras delineado por divisores de água (pontos mais altos) topograficamente drenados por um curso d’água e seus afluentes. Nesta unidade geográfica, os recursos naturais se integram de forma sistêmica, ocorrem fenômenos e interações entre seu input e output, o que facilita sua interpretação.

Muito utilizada em estudos de planejamento ambiental e avaliação de impacto ambiental, a unidade é reconhecida pelo CONAMA (Conselho Nacional de Meio Ambiente) 001/86, artigo 5º, no qual fala da importância de delimitação da bacia hidrográfica para estudo de áreas direta e indiretamente afetadas por impactos em denominados projetos. A Foods and Agriculture Organization (FAO) declarou também que um planejamento adequado de bacias é fundamental para a conservação de regiões tropicais.

Sendo assim, convém ressaltar nesse trabalho o que se entende por sub-bacia, ou seja, um nível menor de bacia hidrográfica uma vez que é delimitada pelo mesmo critério. Conforme o glossário da Associação Portuguesa de Recursos Hídricos, sub-bacia é área terrestre a partir da qual todas as águas fluem, através de uma sequência de ribeiros, rios e eventualmente lagos para um determinado ponto de um curso de água (geralmente um lago ou uma confluência de rios)” (APRH, 2015).

Ver-se que a delimitação de bacias e/ou sub-bacias hidrográficas é atividade de grande interesse para diversos estudos relacionados à hidrografia, meio ambiente e gestão. Em tempos anteriores à difusão de mapas digitais em ambientes de Sistemas de Informações Geográficas (SIG), a delimitação de bacias hidrográficas era baseada em cartas topográficas analógicas. Conforme Medeiros et. al. (2009) a linha de divisores de água era traçada a partir dos pontos mais elevados da área em torno do rio principal escolhido.

Todavia, com as atuais facilidades de aquisição de dados, com a oferta de softwares em ambiente de SIG, a menor subjetividade e maior precisão, a delimitação pelo método automático tem sido muito mais explorada. Em formato digital, também é possível traçar o divisor de águas sobre dados raster, que representem o modelo digital de elevação em ambiente de SIG. O mesmo critério utilizado para determinada área pode ser reaplicado em outras áreas, garantindo a manutenção do padrão.

Diversos autores utilizaram um ou ambos os métodos. Sobrinho et al. (2010), por exemplo, em seus estudos de delimitação automática da bacia do córrego Guariroba utilizando dados SRTM em SIG ArcGIS (ESRI, 2017), compararam seus resultados com o de outro estudo que delimitou a mesma bacia de forma manual referenciando-se nas folhas topográficas em escala de 1:100.000 da Diretoria do Serviço Geográfico (DSG). Concluíram que além de reforçar a agilidade no processo automático, a área calculada por este método tem menor subjetividade e, portanto, a diferença de área em relação à base de dados do SRTM é de apenas 0,16%, já com o método manual essa diferença cresce para 2,18%.

Medeiros et al. (2009) fizeram a mesma comparação para os estados de Goiás e Distrito Federal e concluíram que o método em ambiente SIG tem maior qualidade, uma vez que, minimiza a subjetividade da bacia traçada e maximiza a precisão. Araújo et al. (2009) e Gomes (2016) também delimitaram bacias hidrográficas a partir de dados SRTM por meio do SPRING e concluíram que a união da disponibilidade de dados gratuitos (custo-benefício) e as novas tecnologias facilitaram o levantamento de dados e o detalhamento das bacias hidrográficas.

O aprimoramento das geotecnologias tem facilitado o levantamento, o mapeamento e a análise espacial do meio ambiente, agregando soluções e auxiliando na tomada de decisão de forma mais rápida e precisa. Permitem análises complexas ao suportar dados de diversas fontes e representar a realidade da informação antes de ir a campo. Para Santos (2015), é capaz de mediar as relações entre sociedade e natureza, essencial para a eficiência da gestão ambiental de bacias hidrográficas, uma vez que possibilita a prevenção e identificação de impactos ambientais negativos, além de permitir traçar alternativas para reduzi-los.

Com isso, pode-se concluir que a bacia hidrográfica é uma área de planejamento do uso e ocupação do meio físico e os programas de SIG são instrumentos para a efetiva aplicabilidade da gestão deste território. O objetivo do trabalho é orientar, passo a passo, a delimitação e mapeamento de bacias hidrográficas utilizando dados SRTM em ambiente SIG ArcGIS (ESRI, 2017), aplicado à sub-bacia do rio Imbassaí localizada nos municípios de Mata de São João e Itanagra – BA.

MATERIAIS E MÉTODOS

A área em estudo é a sub-bacia do rio Imbassaí, localizada geograficamente nos municípios de Mata de São João (com aproximadamente 40% da área litorânea) e Itanagra (com aproximadamente 60% da área total), entre as coordenadas geográficas 12o 18’ 47” e 12º 28’ 43” de latitude Sul e 38º 07’ 49” e 37º 55’ 56 de longitude Oeste. Trata-se de uma área inserida na APA Litoral Norte do estado da Bahia com clima tropical úmido, relevo suave ondulado, devido à proximidade da costa. Envolve geomorfologia própria de (da foz ao continente) planícies marinhas e fluvio-marinhas, Tabuleiros Pré-Litorâneos e Tabuleiros do Recôncavo.

Caracterizada por vegetação de Mata Atlântica e principais usos como agricultura e pecuária de subsistência com pontualidade de plantio de eucalipto e coco baia, e o turismo com grandes complexos imobiliários hoteleiros e o turismo ecológico na área litorânea.

AQUISIÇÃO DE DADOS

As imagens utilizadas na delimitação automática são geradas a partir de dados RADAR, com sensores a bordo do ônibus espacial Endeavour, conhecido como SRTM, em inglês, Shuttle Radar Topography Mission, no entanto SRTM é o nome do projeto, que envolvem agências espaciais dos Estados Unidos – National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Imagery and Mapping Agency (NIMA) e o Departamento de Defesa (DOD) em parceria com as da Itália (ASI) e da Alemanha (DLR) (JPL, 2016).

O sobrevoo da missão ocorreu de 11 a 22 de fevereiro do ano 2000 com 176 orbitas percorridas, projetado para coletar medidas tridimensionais da superfície terrestre através da interferometria[4]. Os dados possuem estrutura numérica, denominada Modelo Numérico do Terreno (MNT) e refere-se à distribuição espacial da altitude e da superfície do terreno e mostram-se com acurácia proporcional aos métodos manuais Sobrinho et al. (2010). Após o processamento dos dados, elaborou-se o modelo digital de elevação (MDE) da terra em formato Geotiff (16 bits) com resolução espacial original de 90 metros (depois disponibilizado em 30 m de resolução), sistema de coordenadas geográficas e Datum e elipsóide de referência WGS84 (JPL, 2018; MIRANDA, 2005).

A área de estudo abrange duas cenas do MDE, a s13_w039_1arc_v3 e s13_w040_1arc_v3. Adicionando as cenas de MDE ao Programa ArcGIS (ESRI, 2017), alguns procedimentos básicos essenciais foram realizados: criou-se um mosaico para facilitar o processamento posterior e transformou o sistema de referência que se encontrava em coordenada geográfica e Datum WGS 84 para coordenada plana, Projeção Universal Transversa de Mercator (UTM). Delimitou-se um recorte em formato shapefile para reduzir a área e o tempo de processamento dos dados, utilizando o MDE em tamanho reduzido ao limite do recorte utilizado, com uso da ferramenta extract by mask.

Segundo Valeriano (2004), o produto SRTM ainda é uma das melhores informações disponíveis, mas possui resolução quilométrica, o que indica a necessidade de processos de pré-tratamento para atender à demanda técnica de modelagem do relevo por SIG. Partindo deste princípio, a qualidade do produto gerado a partir do MDT depende da resolução espacial, logo em alguns estudos a precisão absoluta não deve ser exigida.

Para a delimitação automática da bacia, utilizaram-se extensões da Environmental Systems Research Institute (ESRI, 2017) spatial analyst tools com operações como o preenchimento de falhas, eliminação de reentrâncias e saliências fill sinks, geração do mapa de direção de fluxo flow direction, produção do mapa de fluxo acumulado flow accumulation e a delimitação de bacia hidrográfica watershed delineation.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

PROCESSAMENTO DOS DADOS

Utilização de ferramentas do software ArcGIS Desktop (ESRI, 2017) para delimitação da sub-bacia hidrográfica por meio do Modelo Digital de Elevação. Inicia-se com o preenchimento de depressões por meio da ferramenta fill sinks para minimização das falhas que impedem o direcionamento do escoamento são áreas de cotas menores, rodeadas por elevações de cotas mais elevadas conforme Figura 1 (MENDES & CIRILO, 2001 apud SOBRINHO et al., 2010).

Para isso, consideram-se as altitudes dos pixels vizinhos para seu preenchimento (como exemplificado na Figura 1). De acordo com Sobrinho et. al., (2010), a correção torna mais claro o sentido de fluxo de água na bacia. As falhas são mais frequentes em superfícies com inclinações superiores a 20º e em terrenos com relevo mais íngreme e acidentado.

Figura1 – Preenchimento de falhas utilizando a ferramenta fill sinks.

Fonte: (ESRI, 2017).

Esta ferramenta permite o melhoramento do dado, a geração do mapa de MNT como apresentado na Figura 2.

Figura 2 – Resultado da ferramenta fill sinks. Mapa do Modelo Numérico de Terreno a partir de dados SRTM.

Fonte: Autor

Em seguida, calcula-se a direção de fluxo por meio da ferramenta flow direction na linha de maior declividade do terreno. Em Sobrinho et. al (2010), encontra-se o seguinte esclarecimento: A ferramenta utiliza uma grade numérica para determinar a maior declividade de cada pixel em relação a seus oito pixels vizinhos e a direção que a água irá

Figura3 – Grade numérica representando o código de direção por meio da ferramenta flow direction. 

Fonte: (ESRI, 2017).

Assim, a ferramenta permite a visualização do relevo e da direção do escoamento da água nas vertentes.

Figura 4 – Mapa de direção de fluxo

Fonte: autor

Do mapa de direção de fluxo, deriva-se o calculo de fluxo acumulado, utilizando a função flow accumulation, conhecida como área de captação, capaz de fornecer escoamento ao local, ou seja, caminhos preferenciais do fluxo de toda rede hidrográfica. Trata-se de uma variável complexa, pois “reúne características do comprimento de rampa (conexão dos divisores de água a montante) e da curvatura horizontal (confluência/divergência das linhas de fluxo)” (VALERIANO, 2008, p. 91). Como exemplificado na Figura 5, uma grade é gerada, a soma da área das células (pixels) na direção do fluxo ou escoamento resulta no fluxo acumulado.

Figura 5 – Grade numérica representando o código de direção (à esquerda), base para a determinação do código de acumulação por meio da ferramenta flow accumulation.

Fonte: (ESRI, 2017).

As células que recebem maior acúmulo de água possuem valores maiores e formarão a rede de drenagem na direção do fluxo (escoamento).

Figura 6 – Fluxo acumulado.

Fonte: autor

DELIMITAÇÃO DE BACIAS

Segundo Valeriano (2008), a delimitação de microbacias é favorecida pelo processo ADD (Azimute, Drenagem e Divisores) – uma forma de representação espacial que favorece a sensação de tridimensionalidade dos MDEs. Em razão da sobreposição de fatiamentos da curvatura horizontal (para realce da drenagem e dos divisores de água) a classes de orientação de vertentes, há a possibilidade de delineamento de zonas por processos manuais ou automáticos para diversos fins. E sua conversão em vetores permitem análises geológicas, geomorfológicas e pedológicas entre outras.

Em SIG, por meio dos resultados obtidos na função de fluxo acumulado, calculada, por sinal, a partir da direção de fluxo, processa-se na função watershed a delimitação da bacia. Para isso, foi necessário criar um ponto (shapefile) próximo à foz do rio Imbassaí sobre o arquivo raster de direção de fluxo, obviamente onde o fluxo é maior, na cor branca identificado na Figura 6. Este passo a passo é bem ilustrado na Figura 7.

Figura7 – Passo a passo para delimitar a bacia a partir do fluxo acumulado.

Fonte: (ESRI, 2017).

O programa traça uma linha divisória em ângulo reto às curvas de nível em direção aos pontos cotados (áreas mais elevadas) envolto do curso de água principal da bacia e seus afluentes, conforme o traçado apresentado na Figura 8. É importante observar que para a delimitação de bacias, não é necessário extrair a rede de drenagem do fluxo acumulado. Depois, a bacia delimitada deve ser convertida para o formato vetorial (shapefile), função raster to features da extensão spatial analyst.

Figura 8 – Sub-bacia do rio Imbassaí delimitada automaticamente pelo programa ArcGIS.

Fonte: autor

Observa-se na imagem acima a bacia do rio Imbassaí, traçada pelo ArcGIS, o programa atende ao objetivo, no entanto não foi possível uma delimitação precisa nas proximidades do exultório. Ressalta-se que, há a continuação do rio Imbassaí no sentido Sul paralelo à linha de costa, observação feita na hidrografia de base da Conder e confirmada posteriormente na imagem de satélite do basemap na Figura 9.

Assim, porção considerável do rio Imbassaí está fora da bacia delimitada. Para justificar, trabalhe-se com a hipótese da resolução espacial do modelo digital de elevação, que impossibilita maiores detalhes, o que implica na generalização da representação e ao relevo plano da pequena região de interesse.

Figura 9 – Figura em grande escala para mostrar o ponto de exultório considerado pelo SRTM e o ponto de exultório onde de fato é a foz do rio Imbassaí.

Fonte: autor

Quando isto ocorre, dependendo do objetivo para o qual a bacia foi traçada, a incompatibilidade de limites gera problemas de planejamento e gestão, bem como conflitos entre os envolvidos.

Apesar dos benefícios em celeridade e maior precisão no traçado, sua utilização em áreas costeiras, essencialmente planas, gerou inconsistências associadas, primeiro, à resolução espacial do insumo (MDE de 30 m do SRTM) que permite um mapeamento apenas em escala de semidetalhe, com ampla generalização, o que permitiu o deslocamento da foz do rio Imbassaí na representação. Conclui-se isto, pois, ao verificar o problema, realizaram-se testes no programa QGIS e o traçado obtido esteve muito próximo ao apresentado aqui.

Em segundo lugar, e associado ao primeiro, infere-se que a resolução do MDE tem ainda mais dificuldade de ser bem representada em áreas planas e litorâneas, uma vez que, a pouca variação da altitude local não permite a individualização de pixels. A leitura dos mesmos é feita de forma bem generalizada.

CONCLUSÕES

Em síntese, a delimitação automática baseada no referencial teórico aqui apresentado a partir do melhoramento e processamento do modelo digital de elevação possuem vantagens para fins de planejamento e gerenciamento de recursos hídricos. A facilidade de acesso a dados confiáveis e gratuitos, que melhoram a precisão pós-processados, além do acesso mais fácil a programas de SIG em instituições de ensino e órgãos públicos, a delimitação automática de bacias está cada vez mais comum.

É favorecida principalmente pela padronização do traçado, uma vez que o programa ArcGIS (ESRI, 2017) a delimita utilizando técnicas estatísticas que podem ser aplicadas em outras áreas com maior precisão e menor subjetividade. Pode auxiliar em diversos estudos ambientais de forma célere, dentro de uma escala de mapeamento compatível.

Porém, o resultado da delimitação automática de bacias apresentou incompatibilidade de limites quando aplicado a sub-bacia do rio Imbassaí, especificamente em sua porção litorânea e com pouca variação de relevo. Tais limitações impedem a obtenção de um traçado com maior exatidão nas regiões planas litorâneas, uma vez que a porção sul à jusante do rio Imbassaí deveria se inserir na sub-bacia delimitada.

Neste caso, para resolver o problema de traçado, seria necessário delimitar a outra parte do rio Imbassaí que não foi delimitada anteriormente, como uma bacia independente e unir à bacia representada no trabalho. A outra sugestão é delimitar de forma manual e unir à bacia delimitada automaticamente.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Associação Portuguesa de Recursos Hídricos – APRH. Glossário da Gestão Costeira Integrada. Journal of Integrated Coastal Zone Management. 2015. Disponível em: <http://www.aprh.pt/rgci/glossario/sub-baciahidrografica.html>. Acesso em: Nov. 2018.

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MIRANDA, E. E. de; (Coord.).   Brasil em Relevo.   Campinas: Embrapa Monitoramento por Satélite, 2005.  Disponível em: <http://www.relevobr.cnpm.embrapa.br>.   Acesso em: 11 Nov. 2018.

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_______. Dados topográficos. In: FLORENZANO, T. G. (Org.). Geomorfologia, conceitos e tecnologias atuais. São Paulo: Oficina de Textos, 2008. p.72-104.

Neste procedimento, o sinal emitido é recebido por duas antenas separadas por uma distância fixa (60 m), assim, duas imagens são registradas de diferentes pontos de vista da mesma área. A pequena diferença entre ambas que determina o cálculo da elevação da superfície, com uma acurácia vertical absoluta de 16 metros (90% confiança) (JPL, 2016); (MIRANDA, 2005).

Artigo produzido como Trabalho de Conclusão do curso de pós-graduação em Geotecnologias – Soluções de Inteligência Geográfica da Escola de Engenharia de Agrimensura – EEA

[1] Geógrafa pela Universidade Federal da Bahia – UFBA. Pós-graduanda em Geotecnologias – Soluções de Inteligência Geográfica pela Escola de Engenharia de Agrimensura – EEA.

[2] Geógrafo pela Universidade Católica do Salvador – UCSAL. Pós-graduado em Geotecnologias – Soluções de Inteligência Geográfica pela Escola de Engenharia de Agrimensura.

Enviado: Dezembro, 2018

Aprovado: Janeiro, 2019

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