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X SIMPÓSIO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA FÍSICA APLICADA




 

MODELAGEM NUMÉRICA DE TERRENO: UMA COMPARAÇÃO DE RESULTADOS SOBRE DUAS FONTES DISTINTAS DE DADOS DE UMA MESMA ÁREA

 


 

Pablo Rodrigues Rosa: Geógrafo e mestrando do Programa de Pós-Graduação em Manejo de Solo e Água – DESER/CCA/UFPB.

siga5@geociencias.ufpb.br

Conrad Rodrigues Rosa: Estudante de Graduação do curso de Bacharelado em Geografia – DEGEOC/CCEN/UFPB.

siga1@geociencias.ufpb.br

Paulo Roberto de O. Rosa: Professor do Depto. de Geociências/UFPB.

labema@geociencias.ufpb.br




 

Palavras-chave: GPS, Altímetro, Modelo Numérico de Terreno
Eixo 3: Aplicação da Geografia Física à Pesquisa
Sub-eixo 3.2: Gestão e Planejamento Ambiental








 

INTRODUÇÃO

 

Nos últimos anos o avanço tecnológico possibilitou que trabalhos de um modo geral, e principalmente pesquisas, pudessem ser feitos com maior agilidade. A disseminação de informações relativas a metodologias, a fácil disponibilização dessas informações e a relativa facilidade na aquisição de equipamentos de uso pessoal, que passaram a ser fabricados semelhantes aos equipamentos que antes eram de uso exclusivo de grandes empresas devido ao elevado custo e tecnologia específica, o que tornava inviável o acesso a grande gama de usuários, foram os diferenciais para que esse avanço e velocidade aumentassem vertiginosamente.

Mais notadamente com a popularização da internet e o relativo baixo custo de um computador pessoal, principalmente por conta dos clones gerados nos ‘tigres asiáticos’ (hoje mega-corporações oficiais), tem havido no mundo, uma redefinição dos parâmetros sobre distribuição de produtos digitais. Por um lado, enquanto entidades corporativas moldam um mercado para distribuição de licenças de softwares, grupos com algum tipo de interesse comum passam a compor frente, juntamente a grupos de pesquisas de alta tecnologia, em torno da idéia de que todos devem ter acesso aos “produtos de ponta”, e assim elaboram softwares cuja licença, cópia, redistribuição são isentas da cobrança de royalties.

Nesse modelo fica a cargo de cada usuário a responsabilidade pelo uso, modificação e até mesmo a possibilidade de cobrança pela redistribuição do produto original ou modificado em algum tipo de mídia. São estes denominados softwares livres. No escopo desse espírito, muitos produtos de altíssima qualidade têm podido chegar a mãos dos usuários comuns, isto é, os que não estão se encontram contidos por um mega-empreendimento.

Com essa relativa facilidade de acesso que hoje temos a determinados produtos e tecnologias, a pesquisa em certos setores foi em muito favorecida, pois com alguns testes podemos adaptar técnicas e produtos para que nos forneçam dados, pelo menos em um mínimo que nos dê idéia do sistema a que estamos tentando compreender.

Em Geografia Física conta-se com muitas alternativas referente às geotecnologias, principalmente quando a expectativa é adentrar em sistemas cuja escala de trabalho é compatível com extensão de áreas que não excedem muitos hectares, em que a exigência de detalhamento é elevada. Há no mercado ferramentas que nos fornecem dados com alta precisão, se a referência for o metro; há também produtos que nos fornecem valores com precisão de centímetros e até milímetros. Porém, o custo de aquisição e manutenção dessas tecnologias, pode crescer em proporção oposta a precisão do mesmo, isto é, quanto maior a precisão, mais elevado é o valor de mercado do produto.

Na premissa de que poderíamos enriquecer a compreensão do sistema a que estamos nos propondo pesquisar, com a tentativa de adaptar tecnologias mais acessíveis para fornecer dados sobre tais sistemas, é que resolvemos checar se o uso de um GPS (Global Positioning System) de navegação, que não opera no modo diferencial, juntamente com um altímetro barométrico digital de pulso, nos forneceria dados confiáveis para compreensão do sistema em observação.

Inúmeros trabalhos têm lançado mão do GPS da categoria navegação, e seus resultados têm se mostrado bastante satisfatórios em coletas onde um raio de aproximadamente 10m (dez metros) não implica na degradação da representação do ponto coletado (faixa de precisão que esses aparelhos ultimamente tem operado), e seu uso se torna uma alternativa adequada na relação custo-benefício.

Em nosso caso específico, as características do relevo, em seus aspectos de declividade, padrões de drenagem, dentre outros, são elemento base para o aprofundamento compreensivo da área de estudo. A representação de uma área (carta) com uma determinada quantificação, nos permite uma manipulação combinatória mais fácil das entidades ali contidas no intuito de conhecê-las. Se esta representação está em meio digital, e pode ser operada por algum software específico, podemos, inclusive, compreender melhor não só a situação atual das feições, como também sua dinâmica, devido à velocidade que o processamento dos dados, no escopo da simulação, pode gerar.

A documentação iconográfica oficial que abrange a área que estamos pesquisando a escala é de 1:100 000, deixando bastante a desejar nos detalhes relativos à escala que melhor se adequa ao nosso trabalho, que fica entre 1:2 000 e 1:10 000. E, como a propriedade em que a área de pesquisa está contida têm um levantamento planialtimétrico de precisão, resolvemos comparar se nossa alternativa, GPS, Altímetro juntamente com um software de geoprocessamento, pode fornecer um padrão aproximado do resultado que o levantamento de precisão fornecera. Nossa dúvida então se traduz por: há ou não uma similaridade nos resultados de um levantamento com GPS de navegação e Altímetro com um levantamento feito com uma Estação Total? Decidimos averiguar dentro das seguintes hipóteses:

1.    Há semelhança

2.    Não há semelhança

Não quisemos nos adentrar, ainda, neste trabalho, no mérito da porcentagem de semelhanças entre um e outro sistema de levantamento, e nem, claro, checar as similaridades dos valores obtidos, e sim verificar se há semelhanças (padrão) em tais resultados.

Para efetuar as comparações, decidimos traçar perfis que confrontassem um mesmo trecho, sendo que um representando o levantamento por GPS com Altímetro e outro o levantamento com a Estação Total[1]. Para uniformizar os dados utilizamos a Modelagem Numérica de Terreno – MNT. De acordo com CÂMARA et al (1997, p.43), o MNT “é utilizado para denotar a representação de uma grandeza que varia continuamente no espaço. Comumente associado a altimetria, também pode ser utilizado para modelar unidades geológicas, como teor de minerais ou propriedades do solo ou subsolo (como aeromagnetismo)”. Com a representação do relevo a partir dessa técnica, podemos gerar produtos que ao mesmo tempo nos dêem uma visibilidade da área numa perspectiva tridimencional ou em formato de imagem e que também nos dá condições de manipular os dados resultantes, de modo que podemos fazer combinações gerando produtos como perfis ou cartas temáticas (carta de declividade combinada com vegetação, por exemplo). No presente trabalho, através do MNT, apenas perfis foram gerados.

 

 

METODOLOGIA

 

A área utilizada para o teste situa-se no município de São João do Cariri, Paraíba, nas dependências e proximidades da Fazenda Experimental e Bacia Escola da UFPB (Figura 1a), que se localiza a norte e nordeste do Açude Público Namorado.

O primeiro passo foi delimitar uma pequena área para efetuar o levantamento, com um quadrante de aproximadamente 40ha, e este deveria estar contido nos limites de um outro levantamento feito anteriormente na Bacia Escola e adjacências (Figura 1b), que nos serviu como segunda fonte de dados.

 

Figura 1a: Localização da área. Recorte da carta da SUDENE cuja escala original é 1:100 000 (1985). (Demonstração sem escala determinada)

Figura 1b: Recorte da planta da Bacia Escola, a maior área em azul é ao Açude Público Namorado. (Demonstração sem escala determinada)

 

A primeira fonte de dados se deu com um GPS Garmin III e com um altímetro digital CASIO com precisão de 5m. Já a segunda fonte de dados é fruto de um levantamento planialtimétrico para delimitação da propriedade com levantamento das benfeitorias e divisores de água, o qual foi feito com uma Estação Total e um GPS Diferencial. Como a referência deste levantamento é o Datum SAD/69, este também foi utilizado como referência para o nosso levantamento.

Calibramos o Altímetro ao nível do mar, chegando a São João do Cariri aferimos o instrumento em uma Referência de Nível – RN situado no interior da propriedade.

Com os dados de ambos levantamentos em meio digital, selecionamos os pontos irradiados, do levantamento com a Estação Total, que se apresentassem mais próximos aos que havíamos levantado (Figura 2). Não houve um critério quantitativo na seleção desses pontos, algo como raio de abrangência onde um ponto seria selecionado se estivesse no raio de 20m, por exemplo, em relação ao ponto que coletamos com GPS e Altímetro.

Até então, todo nosso procedimento se deu em um ambiente de Desenho Assistido por Computador (CAD). Posteriormente a essa fase iniciamos o procedimento de importação do desenho (o mapa) e seus atributos para um ambiente SIG (Sistema de Informações Geográficas).

 

Podemos vi-sualizar es-sa distribui-ção na Figu-ra 2, na qual também ob-servamos a configuração irregular das amostras. No total fo-ram 24 (vinte e quatro) pontos levan-tados com GPS e Altí-metro, e 24 (vinte e qua-tro) pontos que aprovei-tamos do levantamento com a Esta-ção Total. 

Figura 2: Distribuição dos pontos amostrais e respectivos perfis na área abordada

 

Esse conjunto de pontos foi utilizado como amostra para a modelagem numérica de terreno (MNT). Utilizamos SPRING (1996) para fazer o Modelo Numérico de Terreno.

MNT, segundo o manual online do software (2003):

 

Corresponde a uma nova maneira de enfocar o problema da elaboração e implantação de projetos. A partir dos modelos (grades) pode-se calcular diretamente volumes, áreas, desenhar perfis e secções transversais, gerar imagens sombreadas ou em níveis de cinza, gerar mapas de declividade e aspecto, gerar fatiamentos nos intervalos desejados e perspectivas tridimensionais. [1]

 

Geramos então uma grade regular (Figura 3) utilizando o interpolador Vizinho mais Próximo, onde “para cada ponto (x,y) da grade o sistema atribui a cota da amostra mais próxima ao ponto” [2]. De acordo ainda com o manual online do SPRING “este interpolador deve ser usado quando se deseja manter os valores de cotas das amostras na grade, sem gerar valores intermediários”. [2].

Na Tabela 1 podemos ver os dados originais usados para interpolação.

 

GPS+ALTÍMETRO

ESTAÇÃO TOTAL

415

452.69

420

454.29

425

458.44

425

459.77

425

460.71

425

460.97

430

461.60

430

463.04

430

463.34

430

465.98

435

466.00

435

468.89

435

469.05

435

469.23

435

470.15

435

470.75

440

470.85

440

471.12

440

471.51

440

473.35

440

474.33

445

476.78

455

477.29

455

477.56

 

Figura 3: Grade regular obtida a partir da interpolação dos pontos amostrais com levantamento GPS/Altímetro. Os números em vermelho correspondem ao valor do ponto. (Demonstração sem escala determinada)

Tabela 1: Dados do levantamento usados para interpolação da Grade Regular do MNT. Os dados estão ordenados por ordem crescente logo não há correlação espacial nessa apresentação entre os valores.

 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

 

Enfatizamos mais uma vez que nossa perspectiva não foi gerar uma modelagem com alto grau de fidelidade em relação ao relevo e nem verificar se o altímetro digital (marca e modelo que utilizamos) faz a leitura dos dados similar aos dados resultantes do levantamento obtido com a Estação Total cuja amarração se deu em uma RN, inclusive pelo fato das medidas de ambos serem feitas por instrumentos de natureza diferente. Tentamos apenas detectar se o altímetro pode nos fornecer medidas de referência que nos sirvam como cotas, e não altitudes (apesar de ser um instrumento para se medir altitude), e se tais cotas mantiveram um padrão na variação similar as variações obtidas com a Estação Total durante o tempo de levantamento.

As cotas são medidas baseadas em uma Referência de Nível arbitrária, já a altitude é medida em relação ao nível do mar (Comastri e Tuler, 1999), ou a alguma referência de nível calculada sobre um Datum.

Como podemos observar na figura 4, houve uma diferença proeminente nas leituras. Apesar de, como já foi dito, não procurarmos medir a altitude, vimos que em todos os perfis resultantes do levantamento com GPS e Altímetro, o valor da altitude sempre foi abaixo do que a resultante do levantamento com a Estação Total. A explicação para este fato está possivelmente relacionada com a diferença entre o valor do RN contido na Bacia Escolal, cujo valor é de 467.51m e o valor lido no Altímetro, que foi de 430m, quando, procedemos com uma aferição do Altímetro no referido RN, ou seja, houve uma diferença de 37.51m.

No Perfil 1, medido onde a concentração das amostras foi mais proeminente (vide Figura 2), observamos que o resultado foi bastante diferente no aspecto das linhas. O resultado do perfil obtido da interpolação dos dados do levantamento com a Estação Total denotam uma complexidade maior do que o outro levantamento, isto é, na rugosidade do trecho. A grade regular gerada a partir dos dados do GPS e Altímetro apresenta uma regularidade no nível enquanto que no resultado obtido com a Estação Total a diferença de nível no decorrer do espaço é mais acentuada.

No Perfil 2, nos primeiros 55 metros, aproximadamente, observamos que as diferenças de nível se mostram divergentes. No perfil resultante do levantamento com GPS e Altímetro há uma rugosidade mais acentuada do que no perfil resultante do levantamento com a Estação Total. Essa rugosidade está ligada aos valores amostrais. No Perfil resultante do levantamento com o GPS, os pontos próximos ao início do perfil apresentaram medidas 430, 415 e 420 metros, enquanto que os pontos resultantes do levantamento com a Estação Total apresentam as seguintes medidas: 460.71, 454.29 e 452.59m, ou seja, as diferenças de nível são mais suaves.

Próximo dos 60 metros, em ambos levantamentos, percebemos uma similaridade no resultado, ou seja, as diferenças no nível seguem um mesmo padrão ascendente. No decorrer do perfil, para ambos, há um resultado de regularidade em que a interpolação não resultou em diferenças de nível muito acentuadas, prevalecendo planuras. Esse Perfil (2) foi calculado numa área em que as amostras não se encontravam tão próximas ao local que traçamos o perfil (vide Figura 2).

No Perfil 3, medido num local em que as amostras estão distantes do traçado do perfil (vide Figura 2), observamos que o resultado foi tendencioso a uma planura para ambas interpolações.

Analisando tais resultados, percebemos que os valores resultantes da interpolação do levantamento com o GPS e Altímetro se apresentaram mais uniformes do que o levantamento com a Estação Total, devido ao fato de haver um intervalo regular entre as medidas altimétricas: o valor sempre muda de 5 em 5 metros. Já Estação Total, que tem resolução mais acurada, apresenta valores com intervalos irregulares, devido à sua precisão.

 

Levantamento com GPS e Altímetro

Levantamento com Estação Total

Perfil 1

Perfil 1

Perfil 2

Perfil 2

Perfil 3

Perfil 3

Figura 4: Visualização comparativa dos perfis

 

Na Tabela 1 verifica-se essa diferença, e na Tabela 2, apresentada a seguir, vê-se o resultado interpolado do Perfil 1 até os primeiros quarenta metros.

 

 

Levantamento com GPS e Altímetro

X

Y

0.00

440.00

3.29

440.00

3.29

440.00

10.36

440.00

10.73

440.00

16.75

440.00

18.16

440.00

23.81

440.00

25.59

440.00

30.20

440.00

33.02

440.00

37.26

440.00

40.46

440.00

 

Levantamento com Estação Total

X

Y

0.00

478.35

3.29

478.35

3.29

478.35

10.36

478.35

10.73

478.35

16.75

473.79

18.16

471.96

23.81

470.28

25.59

470.140

30.20

469.23

33.02

469.23

37.26

469.23

40.46

469.23

 

Tabela 2

 

 

 

A explicação para o resultado final da interpolação (grade regular), em termos de variação altimétrica, ter se apresentado muito próximo das proporções das amostras de cada levantamento, está no fato de que aplicamos a técnica de interpolação ‘Vizinho mais Próximo’. Esta técnica deve ser usada, segundo o manual online do SPRING, “quando se deseja manter os valores de cotas das amostras na grade, sem gerar valores intermediários” [2], ou seja, na grade foram mantidos os valores originais e, por conseguinte, na interpolação, não foram gerados valores intermediários que pudessem denotar a tendência do relevo, apresentando assim uma uniformidade no resultado final.

No Perfil 1, a seqüência das diferenças de nível, na grade obtida para o levantamento com Estação Total, se apresentou mais rugosa devido a irregularidade nos valores altimétricos dos pontos (ver Tabela 2), comparado com os mesmos valores de distância para o levantamento com GPS.

Já o Perfil 3, por ter sido elaborado numa posição distante das amostras originais, teve seu resultado, para ambas as grades, fruto do levantamento com GPS/Altímetro e Estação Total, muito simplificado na interpolação. A ausência de amostras e o uso do interpolador ‘Vizinho mais Próximo’ aproximaram a representação final do perfil, porém, empobreceram a definição das diferenças de nível das amostras que estavam mais próximas.

De acordo com os resultados obtidos verificamos que houve uma diferença muito grande em relação aos valores gerados para as grades entre os levantamentos, expresso nos perfis. Detectamos porém que à grade gerada com dados obtidos pelo altímetro fornece uma certa proporção nas medidas altimétricas em relação a grade fruto da interpolação dos dados levantados com a Estação Total (Tabela 3). Verificamos isso na distância que ocorre a variação no nível, similar em ambos (ver também nos perfis as mudanças de nível e as proximidades em termos de distâncias que a variação ocorre).

 

 

Início

Fim

PERFIL 1

38.35

32.89

PERFIL 2

31.82

41.00

PERFIL 3

30.14

30.14

 

 

Tabela 3: Proporção entre perfis no início e fim do levantamento, em metros.

 

Um outro aspecto que verificado é que a qualidade da representação dos dados obtidos com GPS/Altímetro está ligada não somente à população de amostras, mas também à precisão desse valor, conjuntamente com a baixa freqüência dos valores iguais, lidos em áreas muitos próximas, pois senão, áreas rugosas assumem semelhança de planuras, como foi o caso do Perfil 3. Essa freqüência, de certo modo, está diretamente relacionada com a precisão do aparelho. No caso do Altímetro que foi utilizado, desníveis de 1 metro não são lidos. Ao medirmos detalhes em uma vertente que está entre 430 e 435 metros, acabamos coletando muitos pontos com 435 ou 430 metros sem mapear o que está entre esses valores. Essa freqüência de pontos, conjuntamente com o tipo de interpolação que utilizamos, resultou numa representação que mais se assemelha a uma planura (vide Perfil 1, na distância entre 80 e 120m).

Trabalhos em Geografia Física e Geomorfologia têm na representação do relevo uma das suas abstrações mais complexas, ainda mais quando tentamos denotar a dinâmica da paisagem, principalmente se essa representação contiver um aspecto tridimentsional. Em outros termos, essa representação é um modelo, uma analogia do mundo real que tenta por meios sistemáticos replicar esse real, geralmente finalizado em uma imagem (mapas, diagramas,dentre outros) cujo uso se dá para diversos fins. Christofoletti (1999) destaca que “a construção de modelos acompanha o desenvolvimento geomorfológico desde seus primórdios”, Nesse sentido, é notório como a representação do real em modelos permite que se veja e manipule virtualmente o ente representado dando condições para que a compreensão de uma dada dinâmica seja mais elaborada e o uso de tecnologias ‘alternativas’ minimize bastante os custos, principalmente em relação à aquisição de equipamentos e licença de softawares.

 

 

CONSIDERAÇÕES

 

De um modo geral o GPS e Altímetro são ferramentas mais acessíveis do que uma Estação Total e proporcionam um bom ganho de tempo no levantamento planialtimétrico. Detectamos, porém, que ainda há uma disparidade muito grande na precisão desse levantamento feito com GPS de navegação e Altímetro barométrico de pulso, marca e modelo que utilizamos, em relação à altíssima precisão que uma Estação Total fornece.

A partir dos resultados obtidos, vê-se que ainda há necessidade de se continuar com as testagens, pois tais resultados ainda não foram suficientes para inferirmos com segurança em estudos sobre o relevo em que o levantamento foi feito, principalmente devido à escala de detalhamento do trabalho, contudo a alternativa se mostrou promissora.

Detectamos que o interpolador utilizado neste presente trabalho, nos deu condições de visualizar que existe uma certa proporção entre os resultados, e, apesar de não podermos, ainda, corroborar ou refutar as hipóteses enunciadas, os resultados indicam que pode existir um delta entre as medidas.

Nossa expectativa é reproduzir este trabalho em uma outra área, aplicando a mesma metodologia, e posteriormente testar os resultados com outros interpoladores.

 

 

NOTA

 

 [1] Aparelho similar a um Teodolito cuja leitura das medidas se faz com um prisma

 

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

 

CÂMARA, G.; CASANOVA, M.A.; HEMERLY, A.; MEDEIROS, C.M.B.M.; MAGALHÃES, G. C. Anatomia de Sistemas de Informação Geográfica. UNICAMP IX Escola de Computação, 1996 (1a. ed.). SAGRES Editora, Curitiba, 1997 (2a. ed.). Disponível online em:

http://www.dpi.inpe.br/geopro/livros/anatomia.pdf . (último acesso em 22/03/2003).

 

COMASTRI, José Aníbal e TULER, José Cláudio. Topografia – altimetria. 3ª ed., Editora UFV. Viçosa, 1999.

 

CHRISTOFOLETTI, Antonio. Modelagem de sistemas ambientais. 1ª ed., Editora Edgard Blücher. São Paulo, 1999.

 

GARMIN. GPS III - Owner´s manual & reference. Garmin Corp. Taiwan, 1997.

 

GOMES, E. PESSOA, L. M. da. SILVA JÚNIOR, L. B. da. Medindo imóveis rurais com GPS. Editora LK. Brasília, 2001.

 

SPRING: Integrating remote sensing and GIS by object-oriented data modelling" Camara G, Souza RCM, Freitas UM, Garrido J Computers & Graphics, 20: (3) 395-403, May-Jun 1996 .

 

[1] http://www.dpi.inpe.br/spring/usuario/mnt1.htm (último acesso em 29/07/2003).

 

[2] http://www.dpi.inpe.br/spring/usuario/mnt2.htm#grade_amostra (último acesso em 29/07/2003).