EVOLUÇÃO ESPAÇO-TEMPORAL DA COBERTURA  VEGETAL NO MUNICÍPIO DO RIO DE JANEIRO DE 1985 A 2015

EVOLUÇÃO ESPAÇO-TEMPORAL DA COBERTURA VEGETAL NO MUNICÍPIO DO RIO DE JANEIRO...

(Parte 1 de 5)

( Real Academia de Artilharia, Fortificação e Desenho, 1792 ) CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CARTOGRÁFICA

MAPA DA EVOLUÇÃO ESPAÇO-TEMPORAL DA COBERTURA VEGETAL NO MUNICÍPIO DO RIO DE JANEIRO DE 1985 A 2015

Rio de Janeiro 2015

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA 1º TEN LEANDRO LUIZ SILVA DE FRANÇA

MAPA DA EVOLUÇÃO ESPAÇO-TEMPORAL DA COBERTURA VEGETAL NO MUNICÍPIO DO RIO DE JANEIRO DE 1985 A 2015

Projeto de Fim de Curso (PFC) apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Cartográfica do Instituto Militar de Engenharia, para a obtenção de grau na Verificação Final (VF) de 2015.

Orientador: Maj Wagner Barreto da Silva, D. Sc.

Rio de Janeiro 2015

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA 1º TEN LEANDRO LUIZ SILVA DE FRANÇA

MAPA DA EVOLUÇÃO ESPAÇO-TEMPORAL DA COBERTURA VEGETAL NO MUNICÍPIO DO RIO DE JANEIRO DE 1985 A 2015

Projeto de Fim de Curso apresentado ao Curso de Graduação em

Engenharia Cartográfica do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção de grau na Verificação Final (VF).

Orientador: Maj Wagner Barreto da Silva, D. Sc.

Avaliado em 2015 pela seguinte Banca Examinadora:

Rio de Janeiro 2015 c2015 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha Rio de Janeiro – RJ CEP: 22290-270

Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de arquivamento.

É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.

Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s) orientador(es).

XMapa da Evolução Espaço-Temporal da Cobertura Vegetal no

X França, Leandro Luiz Silva município do Rio de Janeiro de 1985 a 2015/ Leandro Luiz Silva de França; orientado por Wagner Barreto da Silva – Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2015.

49p. : il.

Projeto de Fim de Curso (PROFIC) – Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2015.

1. Curso de Engenharia Cartográfica – Projeto de Fim de

Curso. 2. Cobertura vegetal. 3. Sensoriamento remoto. 4. Detecção de vegetação sombreada. 5. NDVI. I. Silva, Wagner Barreto. I. Título. II. Instituto Militar de Engenharia.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES6
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS7
1. INTRODUÇÃO10
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO10
1.2 OBJETIVO13
1.3 JUSTIFICATIVAS13
1.4 ORGANIZAÇÃO16
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA17
2.1 IMAGEM DE DECLIVIDADE17
2.2 IMAGEM DO ASPECTO19
2.3 RELEVO SOMBREADO19
2.4 SOBREPOSIÇÃO BOOLEANA21
2.5 CLASSIFICAÇÃO SUPERVISIONADA DE IMAGENS23
2.5.1 Método do paralelepípedo23
2.5.2 Distância de Mahalanobis24
3. METODOLOGIA E PROCEDIMENTOS26
3.1 INSUMOS26
3.2 DEFINIÇÃO DO SISTEMA DE REFERÊNCIA DE COORDENADAS (SRC)27
3.3 MODELO GERAL DE PROCESSOS27
3.3.1 Trabalhos do Grupo I29
3.3.2 Trabalhos do Grupo I29
3.3.3. Trabalhos do Grupo I30
3.4 OBTENÇÃO DA IMAGEM DE VEGETAÇÃO PARA O MESMO ANO31
3.5 COMPARAÇÃO ENTRE AS IMAGENS DE VEGETAÇÃO NA SEQUÊNCIA DE ANOS32
4. PRODUTO E ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS35
4.1 DESCRIÇÃO DO PRODUTO35
4.2 IDENTIFICAÇÃO DO PRODUTO35
4.3 SISTEMA DE REFERÊNCIA36
4.4 QUALIDADE DOS DADOS DO PRODUTO36
4.5 DISTRIBUIÇÃO DO PRODUTO37
5. CONCLUSÃO38
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS39
APÊNDICE A – INFORMAÇÕES DO SENSOR E PARÂMETROS UTILIZADOS42

SUMÁRIO APÊNDICE B – METODOLOGIA IMPLEMENTADA EM MATLAB ..................................... 43

Figura 1.1: Assinatura espectral média da vegetação10
Figura 1.2: a) Imagem de satélite de uma região do Rio de Janeiro b) NDVI13
Figura 1.3: a) Imagem de declividade b) Imagem do Relevo Sombreado14
Figura 2.1: Ângulo de Declividade16
Figura 2.2: Máscara de Vizinhança17
Figura 2.3 : (a) Imagem do terreno (b) Imagem do Aspecto18
Figura 2.4: Ângulo entre o vetor de iluminação e o vetor normal a superfície19
Figura 2.5: Exemplo de Sobreposição Booleana21
Figura 2.6: Operação lógica entre imagens matriciais21
Figura 2.7: Método do Paralelepípedo2
Figura 2.8: Dispersograma e elipses de confiança entre as bandas G e NIR24
Figura 3.1: Modelo do Processo de Geração da Imagem de Vegetação27
Figura 3.2: Determinação dos parâmetros da grade regular28
Figura 3.3: Trablhos do Grupo I28
Figura 3.4: Etapas dos Trabalhos do Grupo I29
Figura 3.5: Nova imagem binária resultante30
Figura 3.6: Intervalos de tempo analisados31
Figura 3.7: Percentual das classes na imagem de mudança da vegetação32

LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 3.8: Legenda das classes da imagem de mudança da vegetação ........ 3

ASTER Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer GloVis Global Visualization Viewer IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais MDE Modelo Digital de Elevação MMA Ministério do Meio Ambiente NDVI Normalized Difference Vegetation Index PNIA Painel Nacional de Indicadores Ambientais PRODES Programa de Cálculo do Desflorestamento da Amazônia SRC Sistema de Referência de Coordenadas USGS United States Geological Survey UTC Coordinated Universal Time WWF World Wildlife Fund

A cobertura vegetal é considerada um dos principais indicadores da qualidade ambiental, pois ela tem papel fundamental na filtragem da poluição atmosférica, na redução de temperatura, bem como na retenção de umidade no solo e no ar. O estudo da variação do uso do solo tem despertado grande interesse não apenas de cientistas como também de grande parte da sociedade devido às alterações negativas oriundas de impactos ambientais. O avanço nas tecnologias de sensoriamento remoto, juntamente com o aprimoramento dos modelos teórico-metodológicos possibilitam interpretar o meio e sua dinâmica, o que significa, aplicando-se ao contexto deste projeto, a análise espaçotemporal através da comparação das áreas de cobertura vegetal em tempos distintos. As técnicas para este mapeamento buscam possibilitar o contínuo monitoramento e controle dos processos de degradação do solo em áreas de interesse público. A motivação deste trabalho é mapear as regiões de cobertura vegetal utilizando-se de imagens multiespectrais, aplicando-se uma metodologia especialmente adequada às regiões de relevo acidentado, onde, eventualmente, acidentes orográficos atuam como obstáculo para propagação da radiação solar e, consequentemente, propiciam a ocorrência de regiões com sombra. A detecção de vegetação nessas regiões não é eficaz usando apenas técnicas como o Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Assim, o objetivo deste projeto é elaborar um mapa que apresenta a mudança da cobertura vegetal no município do Rio de Janeiro cujo relevo apresenta uma diversidade de morros e montanhas que caracterizam um relevo acidentado. As técnicas utilizadas para determinação da vegetação que superarão as limitações provocadas pelas sombras são baseadas nos resultados obtidos do NDVI e na simulação das regiões sombreadas a partir do Modelo Digital de Elevação (MDE) para o momento de aquisição da imagem pelo satélite, permitindo a identificação de áreas de vegetação em regiões com pouca iluminação. Estas técnicas serão aplicadas a uma série com intervalo de dez anos para imagens de satélite Landsat considerando o período de 1985 a 2015.

Palavras Chave: cobertura vegetal, sensoriamento remoto, detecção de vegetação sombreada, NDVI.

The vegetation canopy is considered one of the more important indicators of environment quality due to its primordial role on the atmospheric pollution's filtering, temperature reduction, as well as in the humidity retention in the soil and air. The scientists have increased their studies about the variation of the land use in the last years. Besides that, the great part of society is concerned with the negative consequences produced by environmental impacts. The rising of new technologies in the remote sensing and the improving of theoreticmethodological models has enabled the image interpretation about environment and its dynamics. It means, in the context of this project, a way of spatialtemporal analysis through the comparison between vegetal canopies in different times. The techniques for this mapping seek to capacitate the continuous monitoring and control the process of soil degradation in public interest areas. The motivation of this project is to map the regions with vegetation canopy by means of multiespectral images, using a methodology especially designed for rough relieves, where generally the landforms work as an obstacle for the solar radiation propagation, providing the occurrence of shaded areas. The detection of vegetation areas is not efficient using only techniques as the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Thus, the objective of this project is to elaborate a map that represents the vegetation change in the city of Rio de Janeiro whose relief is mostly made up of hills. The set of techniques for determination of vegetation which will overcome the limitations caused by shaded areas is based upon the overlay of the results from the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and the shaded areas calculated from the Digital Elevation Model (DEM) for verifing the existence of vegetation in regions with low brightness at the moment of the image’s capture by the satellite. Then, it will be possible to verify the existence of vegetation areas even in low illumination regions. These techniques were applied on a series with time interval of ten years using Landsat images considering the period from 1985 to 2015.

Key words: vegetation canopy, remote sensing, shaded vegetation detection, NDVI.

1. INTRODUÇÃO

1.1 Contextualização

Neste último século, a humanidade ampliou sua capacidade de ocupação do solo e, consequentemente, de desmatamento. Em paralelo, também cresceram as preocupações com os impactos ambientais e socioeconômicos causados pelas modificações e degradações de origem antrópica principalmente por movimentos ambientalistas como, por exemplo, o WWF-Brasil, o Greenpeace e a Fundação SOS Mata Atlântica (MARQUES, 2012).

Devido à acelerada ocupação do solo pelo homem, estudos da dinâmica do meio ambiente em intervalos de tempo cada vez mais curtos passaram a ser necessários com o intuito de viabilizar medidas de controle ambiental e monitoramento das modificações na utilização do solo.

A análise da cobertura vegetal permite inferir sobre a qualidade do ambiente, considerando que muitos dos indicadores de qualidade ambiental são influenciados pela vegetação, como, por exemplo, a poluição do ar e das águas, as variações de temperatura e umidade, a erosão, a biodiversidade, entre outros. Estes indicadores ambientais são abordados no Painel Nacional de Indicadores Ambientais (PNIA) cujo propósito principal é subsidiar a mensuração de informações referentes ao meio ambiente (MMA, 2014).

O avanço tecnológico do sensoriamento remoto aliado à pesquisa espacial vem permitindo que sensores, cada vez mais precisos e com faixas do espectro bem detalhadas, obtenham informações da superfície terrestre através de imagens orbitais, fornecendo dados repetitivos e consistentes de grande utilidade para diversas aplicações (NOVO, 2010).

Os índices de vegetação correspondem a operações matemáticas entre as bandas espectrais de dados de sensoriamento remoto. Um índice de vegetação deve transmitir dados úteis sobre a estrutura e o estado da vegetação, sendo sensível à densidade e distribuição de folhas, composição mineral e saúde das plantas. Por outro lado, este índice deve ser insensível a fatores que podem interferir na radiação refletida pela superfície terrestre e captada pelo sensor. Alguns exemplos desses fatores são as características do solo, a iluminação solar e as condições meteorológicas (LIANG, 2004).

Os diferentes materiais existentes na natureza podem ser distinguidos pela sua assinatura espectral (NOVO, 2010), ou seja, a intensidade relativa da radiação incidente que é refletida (mais comumente conhecida por refletância) considerando diferentes intervalos de comprimentos de onda.

No caso de um dossel vegetal, na faixa do visível, os valores de refletância são relativamente baixos devido à ação dos pigmentos fotossintetizantes que absorvem a radiação eletromagnética para realização da fotossíntese, já na região do infravermelho próximo estes valores apresentamse elevados devido ao espalhamento interno sofrido pela radiação em função da disposição da estrutura morfológica da folha. Na faixa do infravermelho médio tem-se uma nova queda destes valores devido à presença de água no interior da folha (INPE, 2001).

A Figura 1.1 apresenta o gráfico da assinatura espectral média para regiões de vegetação. Seus valores podem variar de acordo com o tipo de vegetação, todavia a curva se caracteriza por ter baixa refletância na faixa do vermelho e alta refletância na faixa do infra-vermelho próximo.

Figura 1.1: Assinatura espectral média da vegetação (NOVO, 2010)

O Normalized Difference Vegetation Index NDVI ou Índice de Vegetação da Diferença Normalizada corresponde à diferença entre a banda do infravermelho próximo (NIR) e a vermelha (R) dividida pela soma das duas bandas,

O NDVI foi inicialmente empregado por Deering em 1978 (ROSENDO, 2005) com a finalidade de minimizar os efeitos de iluminação oblíqua e produzir uma escala linear de medida, variando de -1 a +1, onde para a cobertura vegetal seu valor tende a ser maior que zero. Este comportamento é uma característica inerente da vegetação que, em geral, possui alta refletância na faixa do infra-vermelho próximo e baixa refletância na faixa do vermelho.

A vantagem de utilização do NDVI é a sua relativa insensibilidade a variações causadas por diferenças de iluminação, sombra de nuvens, atenuação atmosférica, além das variações causadas pela configuração do terreno (ROSENDO, 2005).

Durante o decorrer do tempo, a cobertura vegetal pode sofrer mutações, sejam por condições naturais ou por ação antrópica. Essas mudanças podem ser observadas em decorrência de variações das características fisiológicas das plantas por motivos de secas, estações do ano, doenças, etc. A área de ocupação do dossel vegetal também pode ser avaliada de modo a indicar a expansão, contração ou estabilidade da flora.

A evolução do comportamento da cobertura vegetal pode ser realizada através de séries temporais, isto é, uma sequência de observações feitas ao longo do tempo (PIMENTEL, 2014). Um exemplo de aplicação de séries temporais é o Programa de Cálculo do Desflorestamento da Amazônia (PRODES) desenvolvido pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), que produz estimativas das taxas anuais de desflorestamento na Amazônia Legal a partir de dados de satélite (CÂMARA et al., 2006).

O papel da cartografia, dentro deste contexto, é representar a dinâmica da cobertura vegetal, ou seja, sua evolução no tempo e no espaço (ORMELING, 1989), permitindo-se fazer diagnósticos e previsões, servindo de suporte à gestão territorial e ambiental.

1.2 Objetivo

O objetivo deste projeto é elaborar um mapa da evolução espaço- temporal da cobertura vegetal do município do Rio de Janeiro para o intervalo de 1985 a 2015. Os objetivos específicos são:

• Avaliar a técnica de mapeamento de cobertura vegetal através do NDVI para região em estudo.

• Levantar os fatores condicionantes para identificação da cobertura vegetal na região proposta considerando as características do terreno e a ocorrência de sombra.

• Propor, implementar e validar uma metodologia para identificação da cobertura vegetal que levem em consideração os fatores condicionantes levantados.

• Executar a metodologia desenvolvida considerando um conjunto de imagens de satélite para os anos de 1985, 1995, 2005 e 2015.

• Representar os resultados em um mapa que associa o espaço geográfico à dinâmica da cobertura vegetal ocorrida durante esse período.

1.3 Justificativas

O propósito deste projeto pode ser justificado pelo fato de buscar construir um mapa através de uma metodologia que determina a superfície de vegetação com precisão (respeitando as limitações de resolução espacial do sensor), sendo também robusta às variações causadas por diversos fatores, como, por exemplo, o sombreamento causado pelas características do relevo e o ruído na imagem.

Os resultados garantirão estimativas mais precisas, possibilitando a criação de mapas de sensibilização sobre problemas ambientais e instrumentalizando os usuários na tomada de decisões na gestão e planejamento territorial.

Para as regiões com a presença de áreas sombreadas, apenas a utilização de índices de vegetação (como, por exemplo, o NDVI) não são suficientes para afirmar que uma região corresponde a uma cobertura vegetal devido à incidência de sombra proporcionada pelo relevo acidentado.

A Figura 1.2(a) corresponde a uma imagem de satélite e as regiões delimitadas por linhas vermelhas indicam a ocorrência de áreas de vegetação com sombra. Na Figura 1.2(b), essas regiões possuem valores de NDVI menores que zero (coloração próxima da vermelha), contrariando o que é esperado para áreas de vegetação, ou seja, valores mais próximos do valor 1 (verde).

(Parte 1 de 5)

Comentários