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Identificação e análise dos fragmentos florestais em ...marte.sid.inpe.br/col/dpi.inpe.br/sbsr@80/2006/11.15.17.55/doc/... · permitiu separar de forma eficiente as formações

Nov 09, 2018

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  • Identificao e anlise dos fragmentos florestais em imagens ASTER no municpio de Cromnia-GO

    Wtila Portela Machado 1

    Roberto Arnaldo Trancoso Gomes 1 Osmar Ablio de Carvalho Jnior 1

    Renato Fontes Guimares 1 Sandro Nunes de Oliveira 1

    Robson Veloso Ribeiro Sodr 1 Thiago Avelar Chaves 1

    Pascoal Luiz Dias Rodrigues da Costa Filho 1

    1Universidade de Braslia - UnB/GEA/LSIE Campus Universitrio Darcy Ribeiro, Asa Norte - 70910-900, Braslia, DF, Brasil.

    {w0495913, r0493066, t0494623, p0435392}@aluno.unb.br {robertogomes, osmarjr, renatofg, sandronunes}@unb.br

    Abstract. This work aims at developing a study about the forest fragments in the Cromnia municipality (GO), central Brazil, by appling ASTER image processing. The methodology consisted of the following steps: (a) natural forest fragments mapping using ASTER image, and (b) fragments metrics calculation. The ASTER images were acquired with atmosphere correction from AST07 product. The image processing methodology adopted presents the following steps: (a) pre-processing, (b) endmembers identification and (c) Spectral Angle Mapper (SAM). To analyze the fragmentation process were used metrics or landscape indexes that represent the relation between spatial patterns and ecological processes, such as: remain fragments quantity, composition and distribution; the distance between them; the degree of isolation among forest fragments; their size and shape. The methodology allowed supplying subsides for implementation of priorities areas for conservation. Palavras-chave: forest fragments, spectral classification, fragments metrics calculation, fragmentos florestais, classificao espectral, clculo das mtricas de fragmentao.

    1. Introduo O Cerrado constitui o segundo maior bioma do Brasil, abrigando uma alta biodiversidade e uma grande gama de recursos adaptados s condies ambientais que determinam sua existncia (AbSber, 2003). Dentro de seus domnios podemos encontrar diferentes fitofisionomias que incluem formaes florestais com a predominncia de espcies arbreas, savnicas compostas por arbustos e rvores dispersos sobre um estrato graminoso e campestres com o predomnio de espcies herbceas e arbustivas (Ribeiro e Walter, 1998). Atualmente grande parte da rea que um dia comps o bioma do Cerrado encontra-se profundamente modificada por aes antrpicas geradoras de impactos ambientais de grande importncia que ameaam a biodiversidade vegetal do Cerrado como um todo. Nas ltimas dcadas esses impactos vm se intensificando, o que acaba por impor barreiras que do origem aos processos de fragmentao, onde grandes habitats so compartimentados em fraes menores, as quais alteram reas de vegetao nativa contnua dando forma a um mosaico de ambientes fragmentados e isolados (Forman e Alexander, 1998).

    Neste contexto faz-se necessrio realizar estudos que identifiquem e avaliem o grau de fragmentao das formaes vegetais, verificando possveis conseqncias nos processos ecolgicos e encontramos no sensoriamento remoto uma importante ferramenta capaz de auxiliar no monitoramento e controle, atravs do mapeamento dos fragmentos existentes, auxiliando na proteo dos resqucios de vegetao natural restantes nas reas mais afetadas (Andrade, 2005).

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  • Sendo assim o presente trabalho busca verificar a condio espacial dos fragmentos de formaes florestais dentro do municpio de Cromnia no interior do estado de Gois. Utilizaram-se imagens do sensor ASTER para a identificao e posterior anlise desses fragmentos por meio de tcnicas de classificao espectral e pela utilizao de programas como o Fragstats que proporciona a quantificao da fragmentao da paisagem.

    2. rea de estudo O municpio de Cromnia situa-se na Microrregio Meia Ponte, pertencente mesorregio Sul Goiano, entre as coordenadas 1715S - 4928W e 1720S - 4920W, distante cerca de 80 km de Goinia (Figura 1). Possui cerca de 369,2 km e est inserida na bacia hidrolgica do Rio Paran, a oeste do Rio Dourados (IBGE, 2006). Segundo a classificao de Kppen, o clima da regio Aw, marcado pela presena de invernos secos e de veres chuvosos, sendo quente e semi-mido, com precipitao variando de 750 a 2000 mm, concentrando-se na estao chuvosa, meses de outubro a maro (Adamoli et al., 1987).

    A geomorfologia da regio est inserida no Planalto Cristalino de Gois caracterizado pelo domnio de cristas e formas convexizadas com evidncias de pediplanao, possuindo as seguintes unidades morfolgicas: a) Hog-Back representado pela Serra do Paraso (860-950 metros) b) Planalto Embutido de Cromnia, caracterizado por testemunho de pediplano intermontano (730-750 metros) e c) Zona Deprimida de Maripotaba (700 metros) (Casseti, 1991 apud. Vicentini, 1993).

    Geologicamente a rea posiciona-se a sudoeste do Crton do So Francisco na poro meridional da Zona Interna da Faixa Braslia pertencendo ao Grupo Arax (Navarro, 2002). Na maior parte do municpio verifica-se a presena de formaes de quartzito, observando-se em alguns locais a presena de corpos rochosos metaultramficos lenticulares e corpos ultramficos serpentinizados, que podem ser caracterizados como sendo portadores de pequenas e descontnuas lentes de cromita, mineral xido de cromo e ferro [FeCr2O4] (Rodrigues e Angeli, 2003). Os solos predominantes so o Cambissolo Hplico a oeste, Argilossolo Vermelho a sul e Latossolo Vermelho a norte do municpio (IBGE, 2006).

    A vegetao da rea localiza-se no domnio dos cerrados, apresentando uma gama de caractersticas fisionmicas e estruturas gradativas, com quantidades de biomassa intimamente relacionadas s caractersticas de solo e gua. No cerrado a fitofisionomia de menor biomassa o Campo Limpo e, numa ordem crescente, esto o Campo Sujo, o Campo Cerrado, o Cerrado Sentido Restrito e o Cerrado (Coutinho, 1990). Vemos dentro do municpio a presena de grandes reas antropizadas com predominncia de pastagens, onde se substituiu o cerrado nativo por algumas espcies de Brachiria (Radambrasil, 1981).

    3. Metodologia A imagem utilizada neste trabalho referente ao dia 05-09-2004 correspondente ao final da estao seca. As nove imagens correspondentes s bandas utilizadas (VNIR e SWIR) foram adquiridas j corrigidas do efeito atmosfrico, correspondendo aos produtos de alto nvel do sensor ASTER referente especificao AST07 (JPL, 2001). A metodologia adotada para o processamento digital da imagem ASTER e para posterior anlise dos fragmentos, constou das seguintes etapas: (a) Pr-Processamento; (b) Identificao dos membros finais; (c) Utilizao do Spectral Angle Mapper (SAM) para a classificao e separao prvia dos fragmentos atravs de

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  • anlise espectral; (e) Distino das unidades de vegetao e (f) Anlise espacial do padro de distribuio dos fragmentos por meio do programa Fragstats.

    Figura 1- Localizao da rea

    A fase de pr-processamento consistiu no ajuste da resoluo espacial das imagens do sensor SWIR, que foram redimensionadas de 30 para 15 metros. Este procedimento serviu para compatibilizar as imagens dos sensores VNIR e SWIR tornando possvel a integrao em uma nica imagem. Em seguida, corrigiu-se a rbita da imagem de modo que esta ficasse orientada para o norte geogrfico e foi feito um recorte correspondente a rea do municpio de Cromnia. Por fim, elaborou-se uma mscara para ocultar as reas urbanas e de plantio irrigado (pivs centrais) que costumam interferir nas etapas subseqentes do processamento. Este procedimento teve como principal finalidade identificao e a extrao dos alvos de vegetao para posterior anlise e delimitao dos fragmentos.

    A etapa de identificao dos membros finais consiste numa primeira avaliao dos materiais existentes na rea, permitindo verificar os efeitos relativos aos fatores fsicos ambientais presentes na cena (Carvalho Junior et al., 2005). Nesta fase utilizou-se uma metodologia baseada na geometria do simplex, proposta por Boardman e Kruse (1994) estruturada em trs passos: reduo da dimenso espectral utilizando a tcnica de Minimization Noise Fraction (MNF) (Green et al., 1988), reduo da dimenso espacial utilizando o mtodo Pixel Purity Index (PPI) (Boardman et al., 1995); e identificao dos membros finais utilizando um visualizador n-dimensional (nd-visualizer). Aps a realizao destes procedimentos obtiveram-se 4 membros finais significativos (Figura 2).

    A classificao espectral por foi feita por mapeamento de ngulo espectral (Spectral Angle Mapper) SAM, que utiliza como base a mdia espectral das classes encontradas. Esta tcnica mede a similaridade entre os espectros da imagem de entrada com espectros de referncia, tratando ambos como vetores de n dimenses, em que n o nmero de bandas da imagem (Kruse

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  • et al., 1993). Com a ferramenta SAM obtiveram-se resultados satisfatrios no que diz respeito a separao entre as vegetaes com maior ou menor nvel de atividade fotossinttica, o que tornou possvel um bom nvel de diferenciao entre as formaes florestais (vegetao fotossinteticamente ativa - VFA) e as demais formaes (vegetao no fotossinteticamente ativa - VNFA). Porm, numa anlise mais aprofundada dos resultados obtidos percebeu-se que no foi possvel diferenciar de forma eficiente algumas das feies presentes na imagem, havendo uma confuso entre formaes savnicas e campestres naturais com reas de cultivo ou pastagem.

    Para solucionar este problema partiu-se para uma anlise individual de cada um dos membros finais encontrados, isolando cada classe que se pretendia analisar atravs da confeco de mscaras. Uma vez separadas, as reas foram analisadas separadamente constituindo uma forma de refinamento da classificao anterior. Cada classe foi submetida a um fatiamento, cujo realce gerado permitiu a deteco de novos membros finais dentro dos j existentes o que gerou um maior nvel de preciso possibilitando a identificao dos espectros mais representativos que se constituram em 8 classes finais (Figura 3). A nova classificao separou razoavelmente bem as formaes de vegetao nativa das reas que sofreram ao antrpica significativa. Ainda assim, persistiram algumas limitaes em pequenas reas o que no atrapalhou o resultado final do processamento.

    Aliando a classificao obtida aps o processamento digital da imagem ao mapa de vegetao do estado de Gois, foi possvel distinguir e classificar algumas formaes peculiares do cerrado que ainda se conservam presentes na rea, o que viabilizou a confeco de um mapa de uso e ocupao do solo para a rea de estudo. No entanto para a anlise espacial foram levados em conta apenas os fragmentos de formaes florestais, representados pelas classes de VFA, constitudas principalmente por Matas de Galeria e Cerrado, que aparecem com uma fragmentao mais representativa na imagem.

    Para a anlise espacial dos fragmentos de vegetao da rea utilizou-se o Fragstats, constitudo por um conjunto de ferramentas que auxiliam as anlises da paisagem por meio do programa ArcView GIS 3.3. Para averiguar as conseqncias da fragmentao utilizam-se alguns parmetros considerados importantes tais como a quantidade, composio e distribuio dos fragmentos remanescentes, a distncia entre eles, o grau de isolamento, seu tamanho e sua forma, neste caso referentes ao nvel da classe analisada o que permitiu atravs das seguintes mtricas: mtricas de rea, mtricas de densidade, tamanho e de variabilidade, mtricas de borda, de forma, mtricas da rea central e do vizinho mais prximo, compreender o quo fragmentada se apresenta a rea de estudo (Andrade, 2005).

    4. Resultados Com a aplicao desta metodologia obtiveram-se primeiramente 4 membros finais (Figura 2), que posteriormente deram origem a outros 4, totalizando 8 membros finais distintos (Figura 3). As variaes existentes dentro da classe de VFA, deram origem a trs classes distintas, diferenciadas entre si principalmente pelos nveis de reflectncia na banda 4. Porm a diferenciao dentro destas classes no gerou grandes mudanas no produto final, j que ambas acabaram representando formaes florestais, sem conseguir separar mata galeria e cerrado. A classe de VFA + VNFA permaneceu constante, representando uma fitofisionomia de transio entre formao florestal e as demais formaes. Os fragmentos analisados levaram em conta tanto as classes de VFA como a de VFA + VNFA. Nas classes de VNFA conseguiram-se resultados mais relevantes, uma vez que a diferenciao encontrada no interior das classes nos

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  • permitiu separar de forma eficiente as formaes vegetais tpicas do Cerrado, como campo sujo e cerrado tpico, de reas j modificadas pelo homem resolvendo de forma eficiente os problemas da classificao anterior. Assim, o resultado permitiu uma boa diferenciao (Figura 4). A Figura 5 apresenta o mapeamento prvio da vegetao do municpio. A separao das unidades foi feita com base no Mapa de Uso do Solo do Estado de Gois (SIEG, 2006).

    Figura 2 - Espectros referentes aos 4 primeiros membros: A) VFA, B)VFA+VNFA, C)VNFA+SOLO, D)VNFA.

    Figura 3 - Espectros referentes aos membros finais utilizados na segunda classificao: A) Solo exposto/reas degradadas, B) VFA, C) VFA seca, D) VFA mida, E) VFA + VNFA, F) Cerrado Tpico, G) Campo Sujo, H) Cultivo/Pastagem.

    Figura 4: Comparao entre as duas classificaes: A) SAM 1, B) Imagem original e C) SAM 2

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  • Figura 5 - Mapeamento prvio da vegetao no municpio de Cromnia - GO

    Com base no mapeamento possvel analisar de forma separada os fragmentos florestais que se encontravam espalhados por todo municpio. A Tabela 1 gerada pelo Fragstats expressa fatores relevantes, principalmente no que diz respeito a composio (quantificao) e a configurao (distribuio) dos fragmentos. As mtricas demonstram que a rea se encontra bastante fragmentada apresentando cerca de 2.385 fragmentos, dos quais o maior ocupa apenas 5,03 % da classe, o que indica pouca conectividade. O alto valor de densidade de borda (ED) tambm refora a grande fragmentao da paisagem alm de relacionar-se diretamente com o efeito borda, que pode afetar na estrutura da vegetao. O ndice de forma mdia (MSI) nos mostra que os fragmentos apresentam formas complexas (quanto mais distante de 1 mais complexa a forma do fragmento), o que implica num nmero de reas centrais elevado, um dado importante j que tanto a forma dos fragmentos quanto o nmero de reas centrais influenciam diretamente nos processos ecolgicos. As mtricas de vizinho mais prximo da rea apresentam valores baixos evidenciando um grau significativo de isolamento entre os fragmentos.

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  • Tabela 1: Mtricas do Fragstats MTRICAS ABREVIAO DISPOSIO DOS

    FRAGMENTOS MTRICAS DE REA (COMPOSIO) rea da classe (ha) CA 7097.85 rea total (ha) TLA 7097.85 Percentual da classe (% da rea total ocupada pelos fragmentos)

    %LAND 100.00

    ndice do maior fragmento (% do maior fragmento na classe)

    LPI 5.03

    MTRICAS DE DENSIDADE, TAMANHO E VARIABILIDADE (CONFIGURAO)

    Nmero de fragmentos (n) NumP 2385.00 Tamanho mdio dos fragmentos (ha) MPS 2.98 Desvio padro do tamanho do fragmento (ha) PSSD 15.54 Coeficiente de variao do tamanho do fragmento (%) PSCoV 522.04 MTRICAS DE BORDA (CONFIGURAO) Borda total (m) TE 2718300.00 Densidade de borda (m/ha) ED 382.98 MTRICAS DE FORMA (CONFIGURAO) ndice de forma mdia MSI 1.76 ndice de forma mdia ponderado pela rea AWMSI 4.94 Razo do permetro por rea para toda classe LSI 80.66 MTRICAS DE REA CENTRAL (COMPOSIO E CONFIGURAO)

    rea central total (ha) TCA 4510.06 Percentual de rea central na paisagem (% da rea total)

    C%LAND 63.54

    Nmero de reas centrais (n) NCA 3102.00 Densidade das reas centrais (n/100ha) CAD 43.70 rea central mdia (ha) MCA 1.45 Desvio padro da rea central (ha) CASD 10.80 ndice da rea central total (% da classe) TCAI 63.54 rea central mdia por fragmento1 (ha) MCA1 1.89 Desvio padro da rea central 1 (ha) CASD1 12.28 Coeficiente de variao da rea central 1 (%) CACV1 649.56 MTRICAS DE VIZINHO MAIS PRXIMO (CONFIGURAO)

    Distncia mdia do vizinho mais prximo (m) MNN 49.41 ndice de proximidade mdia MPI 621.65

    5. Concluses A utilizao da metodologia aplicada alcanou os objetivos traados, conseguindo separar as fitofisionomias da rea para posterior anlise dos fragmentos de forma eficiente. importante ressaltar as dificuldades encontradas devido intensa modificao antrpica da rea que pode ter interferido diretamente no desempenho do classificador utilizado. A grande fragmentao da rea poderia ser atribuda expanso tanto das atividades agropecurias da regio quanto das atividades mineradoras, j que no interior do municpio existe mina de extrao de Talco, alm de outros veios minerais explorveis no interior dos corpos ultramficos.

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  • 6. Referncias Bibliogrficas AbSaber, A. Os domnios de natureza no Brasil: potencialidades paisagsticas. So Paulo: Ateli Editorial, 2003.

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    Para solucionar este problema partiu-se para uma anlise indAliando a classificao obtida aps o processamento digital MTRICASABREVIAOMTRICAS DE REA (COMPOSIO)

    6. Referncias Bibliogrficas

    proximo artigo: artigo_prox_txt: prximo artigoartigo anterior: artigo_ant_txt: artigo anteriorindice_txt: sumriosumrio: cb: Anais XIII Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Florianpolis, Brasil, 21-26 abril 2007, INPE, p. 5895-5902.

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